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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinderkopf und einem diesen zugeordneten Zylinderblock, die jeweils separat mit mindestens einem von einer Kühlmittelpumpe versorgbaren Kühlmittelkreislauf kühl- bzw. erwärmbar sind, die mittels mindestens eines Steuerelements zur Steuerung des Kühlmittelstroms steuerbar sind.
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Die Bauteile einer Brennkraftmaschine sollten nach dem Start möglichst kurzfristig auf Betriebstemperatur gebracht und in allen Betriebssituationen auf möglichst gleichmäßiger Betriebstemperatur gehalten werden, um Reibungsverluste, erhöhten Verschleiß u. ä. zu vermeiden. Für diese, dem Konstrukteur von Brennkraftmaschinen hinlänglich bekannte Aufgabe bietet der Stand der Technik eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten an. So offenbart die
DE 28 41 555 A1 eine Lösung, bei der der Kühlmittelfluss in einem Kühlmittelkreislauf einerseits über einen Thermostatregler über einen Kühler gesteuert und andererseits über Unterdrucksteuerung bzw. Steuerung mittels eines Relais in Abhängigkeit von der Temperatur im Zylinderblock Kühlmittelflüssigkeit z. B. nach einem Kaltstart bzw. in der Anlaufphase der Brennkraftmaschine zur schnellen Erwärmung unter Umgehung des Kühlers direkt dem Zylinderkopf zugeleitet wird.
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Aus der
EP 1 947 308 A1 sind getrennte Kühlmittelkreisläufe für Zylinderblock und Zylinderkopf bekannt, die über mehrere in Reihe geschaltete Steuerelemente eine Mehrzahl von unterschiedlichen Aufwärm- bzw. Kühlstrategien für die Brennkraftmaschine, deren Zusatzaggregate und den Fahrzeuginnenraum zulassen sollen.
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Aus der
EP 2 309 106 A1 ist es ferner bekannt, bei separaten Kühlmittelkreisläufen für Zylinderblock und Zylinderkopf die unterschiedlichen Kühlmittelströme über entsprechende Steuerelemente gezielt zu vermischen, um eine möglichst gleichmäßige Aufwärmung bzw. Kühlung erreichen zu können.
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Eine Abwandlung der Lösung nach der
EP 2 309 106 A1 zeigt und beschreibt die
EP 2 325 453 A1 . Die Vermischung der Kühlmittelströme für Zylinderkopf und Zylinderblock soll durch die mechanische Gestaltung des Zylinderblocks verbessert werden.
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Schließlich zeigt und beschreibt die
DE 10 2009 036 603 A1 ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, in das ein Wärmeübertrager integriert ist, der außerdem noch in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden ist. Bei dieser Konstruktion wird ein Bypass für den Kühlmittelstrom vorgesehen, über den z. B. bei einem Kaltstart und in der Warmlaufphase ein Teil des Kühlkreislaufes deaktivierbar ist, um nicht das gesamte Kühlmittel im Kühlkreislauf aufheizen zu müssen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wesentlich verbessertes Verfahren zum Kühlen einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, bei dem bei einem Kaltstart bzw. während Warmlaufphasen der Brennkraftmaschine möglichst rasch die Betriebstemperatur erreicht wird und mit dem während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine gleichmäßige Kühlung der gesamten Struktur der Brennkraftmaschine und deren Zusatzaggregate erreichbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass über eine direkt vor den zu den Kühlkreisläufen für Zylinderkopf und Zylinderblock angeordnete Kühlmittelpumpe Kühlmittel steuerbar diesen Kühlkreisläufen zuführbar ist, wobei bei kalter Brennkraftmaschine über ein Steuerelement das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe unter Umgehung mindestens eines in einer Kühlmittelsammelleitung angeordneten Kühlers in den Zylinderkopf-Kühlkreislauf einspeisbar ist, während über ein weiteres Steuerelement der Umlauf von Kühlmittel im Zylinderblock-Kühlmittelkreislauf absperrbar ist.
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Im Unterschied dazu wird bei aufgewärmter Brennkraftmaschine über eines der beiden Steuerelemente der volle Kühlmittelstrom bzw. ein Teilstrom an Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe über mindestens einen in der Kühlmittelsammelleitung angeordneten Kühler sowohl in den Zylinderkopf-Kühlkreislauf und über das weitere Steuerelement in den Zylinderblock-Kühlkreislauf eingespeist.
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In einer bevorzugten Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung können in die Kühlmittelkreisläufe für Zylinderkopf und Zylinderblock einzubeziehende Kühlmittelkreisläufe von Nebenaggregaten, wie z. B. Ölkühler, Innenraumheizung, Klimatisierung, Katalysatoren usw. über eines der Steuerelemente und/oder über separate Steuerelemente im Kühlkreislauf zugeschaltet werden.
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Eine besonders bevorzugte Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung wird darin gesehen, dass in den Kühlmittelkreislauf eine von der Brennkraftmaschine unabhängige Heizung für das Kühlmittel einbezogen ist, wobei der Kühlmittelstrom zur Vorheizung einer nicht im Betrieb befindlichen, kalten Brennkraftmaschine über die Steuerelemente unter Umgehung eines in der Kühlmittelsammelleitung angeordneten Kühlers dem Zylinderkopf-Kühlkreislauf und/oder dem Zylinderblock-Kühlkreislauf zuführbar ist.
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Zur Erzeugung eines gleichmäßigen Kühlmittelstroms und zur Vermeidung von Dampfblasenbildung in den Kühlmittelkreisläufen ist es zweckmäßig, unmittelbar vor dem Zylinderkopf und/oder unmittelbar vor dem Zylinderblock in die Kühlkreisläufe jeweils Verteilerleisten für den Kühlmittelstrom anzuordnen. Ebenso ist es zweckmäßig, in den Kühlmittelstrom nach dem Zylinderkopf und/oder nach dem Zylinderblock eine Sammelleiste für den aus Zylinderkopf bzw. Zylinderblock austretenden Kühlmittelstrom anzuordnen.
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Die Kühlmittelkreisläufe für die Nebenaggregate werden zweckmäßigerweise am Ende oder am Anfang einer der Sammelleisten angeordnet.
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Als Steuerelemente können in für den Fachmann bekannter Weise Thermostate angeordnet sein. Insbesondere das Steuerelement zur Sperrung der Zylinderblock-Kühlmittelkreisläufe kann dabei als Blockthermostat ausgebildet sein. Als Thermostate können Wachsthermostate bzw. auch steuerbare Thermostatventile vorgesehen werden. Besonders zweckmäßig ist es, die Steuerelemente zusätzlich über die Motorsteuerung kernfeldgeregelt auszuführen.
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Die Steuerelemente sind vorzugsweise in parallel verlaufenden Kühlmittelsammelleitungen im Kühlmittelkreislauf angeordnet.
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Für den Fachmann versteht es sich nach Beschäftigung mit dem Gegenstand dieser Erfindung von selbst, dass die Verfahren bzw. Verfahrensschritte zur Erwärmung und/oder Kühlung von Zylinder-Block und/oder Zylinder-Kopf einer Brennkraftmaschine separat voneinander, in unterschiedlicher Kombination bzw. aufeinanderfolgend je nach den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine betrieben bzw. ablaufen können. Insbesondere gilt dies für die als fakultative Maßnahme anzusehende Vorheizung von Zylinder-Block und/oder Zylinder-Kopf mittels einer in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine integrierbaren, von der Brennkraftmaschine unabhängig betriebenen Heizung, z. B. unter Verwendung einer sog. Standheizung.
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Die Verfahren nach der Erfindung zum Kühlen einer Brennkraftmaschine werden in bevorzugter Weise bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge angewendet.
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Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der schematischen Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigten und anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung von Kühlkreisläufen für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Arbeitsweise von Kühlkreisläufen nach der Erfindung für eine Brennkraftmaschine;
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3 eine zweite Arbeitsweise von Kühlkreisläufen einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung;
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4 eine dritte Arbeitsweise von Kühlkreisläufen für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung;
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5 eine vierte Arbeitsweise von Kühlkreisläufen für Brennkraftmaschinen nach der Erfindung; und
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6 eine fünfte Arbeitsweise für Kühlkreisläufe einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung.
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Im Ausführungsbeispiel ist eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken mit jeweils vier Zylindern schematisch darstellt. Die Zylinder-Einheiten aus Zylinderblock und Zylinderkopf sind mit separaten Kühlmittelkreisläufen ausgestattet. Selbstverständlich ist es ohne weiteres denkbar, die Kühlmittelkreisläufe für Zylinderblock bzw. Zylinderkopf zu unterteilen und Kühlmittel an zwei oder mehr Stellen in die Kreisläufe einzuspeisen.
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In allen Figuren der Zeichnung sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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In den Figuren ist mit den schwarz-fett ausgeführten Linien jeweils der Kreislauf bzw. die Kreisläufe für das Kühlmittel dargestellt, der unter Wirkung der Kühlmittelpumpe 1 mit Kühlmittel durchströmt wird.
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Von der Kühlmittelpumpe 1, die vorzugsweise direkt vor den zu versorgenden Kühlkreisläufen für Zylinderkopf bzw. Zylinderblock angeordnet ist, wird über Kühlmittelsammelleitungen 2.1 bzw. 2.2 Kühlmittel einem (oder ggf. mehreren) Zylinderkopf-Kühlmittelkreislauf 3 bzw. 4 der beiden Zylinderbänke der 8-Zylinder-Brennkraftmaschine zugeleitet. Nach dem Durchströmen der Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufe 3 bzw. 4 wird das Kühlmittel über eine Kühlmittelsammelleitung 5 in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeführt. Separat von den Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufen 3 bzw. 4 werden die Zylinderblöcke der beiden Zylinderbänke über Zylinderblock-Kühlmittelkreisläufe 6 bzw. 7 mit Kühlmittel versorgt. Die Versorgung erfolgt über die Kühlmittelsammelleitung 8. Um Dampfblasenbildung zu vermeiden und um eine gleichmäßige Strömung des Kühlmittels in den Kühlmittelkreisläufen zu erreichen, können jeweils unmittelbar vor den Zylinderköpfen bzw. den Zylinderblöcken Kühlmittelsammelleisten und in Strömungsrichtung endseitig von Zylinderblock bzw. Zylinderkopf entsprechend Ausgangssammelleisten für das Kühlmittel angeordnet sein.
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Der Kühlmittelkreislauf wird gesteuert über ein erstes Steuerelement 9, das in einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Kühlmittelsammelleitungen 5 und 8 angeordnet ist. Das Steuerelement 9 kann vorzugsweise als Thermostat, insbesondere als Blockthermostat (z. B. als Wachsthermostat) ausgeführt sein, um in bestimmten Betriebszuständen den Kreislauf von Kühlmittel im Zylinderblock-Kühlmittelkreislauf 6 bzw. 7 auf Strömungsgeschwindigkeit null regulieren zu können. Zusätzlich kann dieses Steuerelement/Thermostat über die Steuerung der Brennkraftmaschine kernfeldgeregelt sein.
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Im Kühlmittelkreislauf in der Zuleitung zur Kühlmittelpumpe 1 ist ein zweites Steuerelement 10 angeordnet. Auch dieses Steuerelement 10 kann als Thermostat, insbesondere als Thermostatventil – ggf. ebenfalls kernfeldgeregelt – ausgeführt sein. Über dieses zweite Steuerelement 10 erfolgt die Zuleitung des Kühlmittelstroms im System entweder direkt über die Pumpe unter Umgehung eines oder mehrerer Kühler in die Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufe 3 bzw. 4 oder – nach Umsteuerung des zweiten Steuerelements 10 – bei z. B. Erreichen der Betriebstemperatur über den oder die Kühler.
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Die Zuleitung zur Pumpe 1 erfolgt über die Kühlmittelsammelleitung 11 direkt und von dort über die Kühlmittelsammelleitungen 2.1 bzw. 2.2 zu den Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufen 3 bzw. 4. Bei Umsteuerung des Ventils (z. B. Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine) wird das Kühlmittel über die Kühlmittelsammelleitung 12 einem oder mehreren Kühlern zugeleitet.
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In 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform zum Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel zur Erfindung wird das Kühlmittel bzw. ein Teil des Kühlmittels über eine von der Brennkraftmaschine unabhängig zu betreibende Heizung (nicht dargestellt), z. B. über eine sogenannte Standheizung, vorgewärmt und über die Kühlmittelsammelleitung 14 in den Kühlmittelkreislauf eingespeist. Diese Vorwärmung und Einspeisung von Kühlmittel kann in der von der Brennkraftmaschine unabhängig betriebenen Heizung z. B. vor deren Start erfolgen, so dass der eigentliche Start bereits bei vorgewärmtem Zylinderkopf entsprechend reibungs- und verschleißgemindert erfolgen kann. Bevorzugt wird dieses Verfahren, wie das Schema zeigt, lediglich zur Vorheizung des Zylinderkopfs angewendet. Denkbar ist aber auch, dass auch der Zylinderblock mit vorgewärmtem Kühlmittel durchströmt wird.
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3 zeigt eine weitere mögliche Verfahrensweise zum Gegenstand der Erfindung: das erste Steuerelement 9 bewirkt den Kühlmittelumlauf durch die Kühlmittelsammelleitung 8 zu den Zylinderblöcken 6 bzw. 7. Über die Kühlmittelsammelleitung 14 wird in einer von der Brennkraftmaschine unabhängig betriebenen Heizung vorgewärmtes Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf eingespeist. Gleichzeitig ist das zweite Steuerelement 10 z. B. bei laufender Brennkraftmaschine so geschaltet, dass ein Kühlmittelumlauf nur über die Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufe 3 bzw. 4 erfolgt.
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Im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei laufender Brennkraftmaschine z. B. in einer Warmlaufphase das Kühlmittel ausschließlich über die Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufe 3 bzw. 4 geleitet. Die Kühlmittelkreisläufe 6 bzw. 7 in den Zylinderblöcken sind aufgrund des die Strömung blockierenden Steuerelements 9 mit Strömungsgeschwindigkeit null versehen. Es erfolgt weiterhin keine Einspeisung von vorgewärmtem Kühlmittel über die Kühlmittelsammelleitung 14. Ebenso erfolgt keine Kühlung des strömenden Kühlmittels über einen in den Kreis eingeschalteten Kühler.
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Das in 5 schematisch dargestellte Verfahren entspricht in seinem Ablauf im Wesentlichen dem vorstehend anhand von 4 beschriebenen Verfahren mit dem Unterschied, dass durch eine Umschaltung des zweiten Steuerelements 10 das Kühlmittel jetzt über eine Kühlmittelsammelleitung 12 einem Kühler zugeleitet und über die Kühlmittelsammelleitung 14 wieder in die Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufe 3 bzw. 4 über die Kühlmittelpumpe 1 eingespeist wird. Eine solche Verfahrensvariante wird üblicherweise dann angewendet, wenn die Zylinderköpfe bereits Betriebstemperatur erreicht haben, während die Zylinderblöcke noch nicht den voll aufgewärmten Status zur Betriebstemperatur aufweisen. Deshalb ist das erste Steuerelement 9 weiterhin so geschaltet, dass eine Versorgung der Kältemittelkreisläufe 6 bzw. 7 der Zylinderblöcke nicht erfolgt.
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Das Schema nach 6 zeigt schließlich die Kühlmittelkreisläufe nach Erreichen der vollen Betriebstemperatur für die Brennkraftmaschine, sowohl im Bereich der Zylinderköpfe als auch im Bereich der Zylinderblöcke. Das erste Steuerelement ist jetzt auch durchgestellt, so dass die Kühlmittelversorgung über die Kühlmittelpumpe 1 und über die Kühlmittelsammelleitungen 2.1, 2.2, 5, 8, 12 und 14 über einen oder mehrere Kühler und durch die Zylinderkopf-Kühlmittelkreisläufe 3 bzw. 4 sowie durch die Zylinderblock-Kühlmittelkreisläufe 6 bzw. 7 zur gleichmäßigen Kühlung der unter vollen Betriebsbedingungen laufenden Brennkraftmaschine erfolgt.
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Für den Fachmann selbstverständlich, deshalb nur in der Zeichnung angedeutet, aber nicht weiter dargestellt bzw. beschrieben, können in die Kühlmittelkreisläufe der Brennkraftmaschine Zusatzaggregate integriert werden, wie z. B. Innenraumheizung, Klimatisierung, Ölkühlung usw.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmittelpumpe
- 2.1
- Kühlmittelsammelleitung
- 2.2
- Kühlmittelsammelleitung
- 3
- Zylinderkopf-Kühlmittelkreislauf
- 4
- Zylinderkopf-Kühlmittelkreislauf
- 5
- Kühlmittelsammelleitung
- 6
- Zylinderblock-Kühlmittelkreislauf
- 7
- Zylinderblock-Kühlmittelkreislauf
- 8
- Kühlmittelsammelleitung
- 9
- Erstes Steuerelement
- 10
- Zweites Steuerelement
- 11
- Kühlmittelsammelleitung
- 12
- Kühlmittelsammelleitung
- 13
- Heizung
- 14
- Kühlmittelsammelleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2841555 A1 [0002]
- EP 1947308 A1 [0003]
- EP 2309106 A1 [0004, 0005]
- EP 2325453 A1 [0005]
- DE 102009036603 A1 [0006]
