-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Split-Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Brennkraftmaschinen weisen die Eigenart auf, dass deren effiziente Nutzung des Kraftstoffs erst ab Erreichen ihrer jeweiligen Betriebstemperatur gegeben ist. Dies hängt im Wesentlichen mit der im Kaltstart besonders bei niedriger Umgebungstemperatur erhöhten Reibung der beweglichen Teile zusammen. Hinzu kommt die erhöhte Viskosität des kalten Motoröls, welche sich ebenfalls erst mit steigender Temperatur verringert. Des Weiteren sind auch die immer bedeutender werdenden Abgaswerte von Brennkraftmaschinen in der Kaltstartphase erhöht, was insbesondere auf die erst mit steigender Aufheizung zunehmende Effektivität der im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie z. B. einem Katalysator zurückzuführen ist.
-
Aus den vorgenannten Gründen gehen die Bestrebungen in der Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen dahin, deren möglichst rasche Erwärmung zu erreichen. Auf der anderen Seite müssen Brennkraftmaschinen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs betrieben werden. Um diesen insbesondere nach oben hin einzuhalten, sind entsprechende Kühlmaßnahmen erforderlich. Luftgekühlte Brennkraftmaschinen weisen hierzu Bereiche mit einer zumeist rippenartigen Außenstruktur auf, um über die so vergrößerte Oberfläche einen Teil der Betriebswärme an die Umgebungsluft abzugeben. Demgegenüber nimmt das bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen den Motorblock und den Zylinderkopf umspülende Kühlmittel einen großen Teil der entstehenden Abwärme auf. Hierfür sind zumeist in der Gehäusewand der Brennkraftmaschine angeordnete Kanäle vorgesehen, welche zusammen mit dem diese durchlaufenden Kühlmittel einen sogenannten Kühlmittelmantel bilden.
-
Um ein Überhitzen des Kühlmittels zu verhindern, wird dieses anschließend über einen in sich geschlossenen Kühlkreislauf durch einen geeigneten Kühler geleitet. Dabei wird zumindest ein Teil der von dem Kühlmittel aufgenommenen Wärme über den gewöhnlich als Gas-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeten Kühler an die Umgebungsluft abgegeben.
-
Seit der Einführung der Wasserkühlung ist bekannt, derartige Motorkühlsysteme mit einem Fahrzeugheizsystem zu kombiniert. Auf diese Weise kann die ohnehin anstehende Wärme aus dem Kühlmittel auch für die von äußeren Einwirkungen unabhängige Erwärmung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Hierzu wird ein regelmäßig als Gas-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeter Heizwärmetauscher in den Kühlkreislauf integriert. Der Betrieb des Fahrzeugheizsystems sieht vor, dass Luft von außen oder aus dem Innenraum des Fahrzeugs angesaugt und an dem Heizwärmetauscher vorbei oder durch diesen hindurch geführt wird. Dabei nimmt die Luft einen Teil der Wärmeenergie auf, bevor sie in den Innenraum des Fahrzeugs geleitet wird.
-
Neben dem so erhöhten Komfort kommen Fahrzeugheizsystemen aber auch sicherheitsrelevante Aufgaben zu. Allem voran steht hier die klare Sicht durch die verglasten Teile des Fahrzeugs im Vordergrund. So führen beispielsweise niedrige Außentemperaturen dazu, dass sich der im Innenraum befindliche Wasserdampf auf den Scheiben niederschlägt. In der Folge können diese dann beschlagen oder gar vereist sein, wodurch die Sicht getrübt bis gänzlich verhindert ist.
-
Im Stand der Technik sind bereits diverse Ausgestaltungen von Motorkühlsystemen in Kombination mit Fahrzeugheizsystemen bekannt. Diese sehen teilweise eine strömungslose Strategie vor, welche auch als „No-Flow-Strategie“ bezeichnet wird. Bei einfachen Systemen wird dabei die Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine insbesondere während der Kaltstartphase unterbrochen, wodurch sich eine verbesserte da schnellere Motorerwärmung ergibt. Derartige Strategien eignen sich allerdings nicht für mit Kühlmittel betriebene Fahrzeugheizsysteme, welche bei einer typischerweise bereits in der Kaltstartphase aufkommenden Heizanforderung einen Zufluss an Kühlmittel erfordern, was wiederum eine direkte Aufgabe der No-Flow-Strategie erfordert.
-
Um die an sich vorteilhafte No-Flow-Strategie auch in Verbindung mit einen Kühlmittelfluss benötigenden Fahrzeugheizsystemen anwenden zu können, haben sich Kompromisslösungen in Form sogenannter Split-Kühlsysteme etabliert. Diese sehen eine Trennung des Kühlkreislaufs vor, wobei der Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine in einen Teil für das Kurbelgehäuse, also Motorblock und in einen Teil für den Zylinderkopf aufgetrennt ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes direkt ab Start der Brennkraftmaschine mit strömendem Kühlmittel zu beaufschlagen, während der Kühlmittelstrom zum Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses in vorteilhafter Weise noch gesperrt ist (No-Flow-Strategie).
-
Da der die Auslässe für das Abgas beinhaltende Zylinderkopf ohnehin die schnellste Erwärmung erfährt, kann der über diesen erwärmte Teil des Kühlmittels bereits für das Fahrzeugheizsystem genutzt werden. Demgegenüber trägt der gesperrte Teil des Kühlmittelmantels dazu bei, dass sich das Kurbelgehäuse schneller erwärmen kann, ohne die hierfür benötigte Wärmeenergie in Teilen an das ansonsten strömende Kühlmittel zu verlieren.
-
In der
WO 2008 / 029 058 A2 ist ein gattungsgemäßes Split-Kühlsystem offenbart. Die
WO 2008 / 029 058 A2 zeigt ein Split-Kühlsystem, das in drei unterschiedlichen Modi betrieben werden kann. In einem Hauptmodus („mode principal“) durchströmt Kühlflüssigkeit sowohl eine obere Kammer, welche den Auslassventilen zugeordnet ist, als auch eine untere Kammer welche dem Motorblock sowie den Einlassventilen zugeordnet ist, und wird einem Kühler zugeleitet. Bei diesem Hauptmodus wird die Kühlflüssigkeit allerdings auch noch durch die Innenraumheizung geleitet. Die weiteren Betriebsmodi, die als Kaltmodus und Zwischenmodus bezeichnet werden, beziehen jeweils die untere Kammer nicht mit ein.
-
Eine Weiterentwicklung solcher Split-Kühlsysteme für Brennkraftmaschinen mit Turbolader ist beispielsweise aus der
EP 2 392 794 A1 und der
US 2011 / 0 296 834 A1 bekannt. Durch eine Thermostatanordnung wird deren Kühlkreislauf derart unterteilt, dass das darin befindliche Kühlmittel nur einen Teilbereich der Brennkraftmaschine durchlaufen kann. Insbesondere in der Kaltstartphase kann so ein Durchströmen des Kurbelgehäuses unterbunden werden, während das Kühlmittel lediglich den Zylinderkopf durchläuft. Auf diese Weise wird eine raschere Erwärmung der Brennkraftmaschine erreicht. Um einer hohen Anfrage der Kabinenheizung während der Kaltstartphase ohne Aufgabe der No-Flow-Strategie für das Kurbelgehäuse nachkommen zu können, ist ferner ein Bypass zu dem Kühlkreislauf vorgesehen. In dem Bypass ist ein über den Abgasstrom angetriebener, flüssigkeitsgekühlter Turbolader angeordnet. Hierdurch kann die Abwärme aus dem Abgas über den Bypass auf das Kühlmittel des Kühlkreislaufs übertragen werden, so dass eine Beheizung der Kabine über einen in dem Kühlkreislauf angeordneten Wärmetauscher erfolgen kann.
-
Die
DE 103 23 900 A1 betrifft ein Mehrwegeventil sowie ein Fahrzeug-Kühl/HeizSystem, das ein solches Mehrwegeventil umfasst. Hierbei ist vorgesehen, dass das System ein Antriebsaggregat des Fahrzeugs umfasst. Allerdings wird bei diesem Antriebsaggregat nicht zwischen einer Kühlung eines Motorblocks einerseits und einer Kühlung eines Zylinderkopfes andererseits differenziert, d.h. es handelt sich um kein Split-Kühlsystem.
-
Die
DE 10 2011 081 183 A1 offenbart ein Ventil zur Steuerung von Volumenströmen eines Kühlmittels in einem Heiz- und/oder Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs. Hierbei umfasst das Ventil einen Einlasskanal sowie zwei Ausgangskanäle.
-
Die
DE 10 2014 200 054 A1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock. Der Zylinderkopf ist mit einem integrierten Kühlmittelmantel ausgestattet, während der Zylinderblock mit einem weiteren Kühlmittelmantel ausgestattet ist. Es bestehen unterschiedliche Optionen, diese Kühlmittelmäntel über eine Kühlmittelsteuereinheit mit einer Heizkreislaufleitung, einer Rückführleitung sowie einer Bypassleitung zu verbinden.
-
Ferner zeigt die
US 4,423,705 A ebenfalls ein Split-Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, welches zwei voneinander getrennte Kühlmittelpumpen umfasst. Auch hier ist der Kühlkreislauf so aufgebaut, dass das Kurbelgehäuse und der Zylinderkopf zusammen oder getrennt voneinander mit Kühlmittel durchlaufen werden können. Der hierfür notwendigen Zweiteilung des Kühlkreislaufs in zwei Unterkreisläufe ist je eine der Kühlmittelpumpen zugeordnet. Hierdurch kann beispielsweise in der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine lediglich eine der Kühlmittelpumpen betrieben werden, um nur den einem der Unterkreisläufe zugehörigen Zylinderkopf aktiv mit Kühlmittel zu durchlaufen. Da in dieser Phase die andere Kühlmittelpumpe ruht, steht das Kühlmittel innerhalb des Kurbelgehäuses, so dass eine raschere Aufheizung ermöglicht ist. Mit zunehmender Erwärmung der Brennkraftmaschine kann die Förderleistung der aktiven Kühlmittelpumpe gesteigert werden, bis letztlich die Hinzuschaltung der zweiten Kühlmittelpumpe erfolgt. Erst in dieser Phase wird auch das Kurbelgehäuse aktiv mit Kühlmittel durchlaufen. Nur innerhalb des dem Zylinderkopf zugehörigen Unterkreislaufs des gesamten Kühlkreislaufs ist ferner ein Wärmetauscher für die Kabinenheizung vorgesehen. Dessen Anströmung mit Kühlmittel wird über ein entsprechendes Regelventil geregelt.
-
Mit der
CA 2 405 444 A1 wurde eine andere Form eines Split-Kühlsystems für eine mit einem Turbolader ausgestattete Brennkraftmaschine bekannt. Allerdings besitzt die Brennkraftmaschine hierbei einen einzigen, sowohl das Kurbelgehäuse als auch den Zylinderkopf gemeinsam durchlaufenden Kühlmittelmantel. Zusätzlich ist ein flüssigkeitsgekühlter Ölkühler vorgesehen, welcher zusammen mit dem Kühlmittelmantel und einem Kühler sowie einem flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler für den Turbolader und einer Kühlmittelpumpe über einen Kühlkreislauf fluidleitend verbunden ist. Innerhalb des Kühlkreislaufs ist ein Mehrwegeventil angeordnet, welches den Durchlauf des Kühlmittels zu den einzelnen Komponenten regelt. Hierdurch kann der Kühlmittelfluss bei Bedarf auf Teile des Kühlkreislaufs und die darin angeordneten Komponenten ebenfalls aufgetrennt werden.
-
Insbesondere die eine Aufteilung des Kühlmittelmantels vorsehenden Split-Kühlsysteme sehen die Anordnung eines Proportionalventils vor, um die einzelnen Teile des Kühlkreislaufs zu kontrollieren. Dabei wird stets eine Vermischung des Kühlmittels unterbunden, indem die Teilkreisläufe baulich voneinander getrennt sind. Bei nicht aufgeladenen Brennkraftmaschinen steht folglich nur der den Zylinderkopf beaufschlagende Teilkreislauf zur Verfügung, um das Fahrzeugheizsystem bei Bedarf zu versorgen. Dies kann bei einer hohen Wärmeanfrage für die Aufheizung des Fahrzeuginnenraums mitunter nicht ausreichend sein. Gleichzeitig ist die Kühlung der Brennkraftmaschine über den Kühler insofern begrenzt, als dass dieser lediglich in den das Kurbelgehäuse beaufschlagenden Teilkreislauf mit eingebunden ist. Dies ist insbesondere bei ausgeschaltetem Fahrzeugheizsystem nachteilig, da der Zylinderkopf aufgrund der getrennten Teilkreisläufe dann nur über den direkten Kontakt mit dem Kurbelgehäuse und dem Motoröl gekühlt werden kann.
-
Im Ergebnis ist folglich sowohl eine maximale Kühlung der Brennkraftmaschine als auch eine maximale Erwärmung des Fahrzeuginnenraums nicht möglich. Ein möglicher Ausgleich dieser Defizite über effizientere und/oder größere Kühler oder eine anwachsende Größe der Kühlmittelpumpe verteuert derartige Systeme und führt mitunter nicht zu dem gewünschten Erfolg.
-
Angesichts der bisherigen Ausgestaltungen an Kombinationen von Motorkühl- und Fahrzeugheizsystemen bieten die an sich vorteilhaften Split-Kühlsysteme daher auch weiterhin noch durchaus Raum für Verbesserungen. Im weiteren Verlauf wird die zuvor aufgezeigte Kombination aus Motorkühl- und Fahrzeugheizsystemen aus Vereinfachungsgründen allgemein als Split-Kühlsystem bezeichnet, welches insofern beide Systeme in sich vereint.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Split-Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dahingehend weiterzuentwickeln, dass neben einer verbesserten Erwärmung der Brennkraftmaschine auch eine bedarfsweise maximierte Leistung hinsichtlich der Kühlung der Brennkraftmaschine und der Erwärmung des Fahrzeuginnenraums ermöglicht ist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Split-Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und damit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
-
Nachfolgend wird ein Split-Kühlsystem aufgezeigt, welches sich in vorteilhafter Weise zur Verwendung mit einer Brennkraftmaschine eignet. Besonders bevorzugt kann es sich bei der Brennkraftmaschine um eine in einem Kraftfahrzeug angeordnete Brennkraftmaschine handeln.
-
Das Split-Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf, welcher wenigstens einen Hauptkreislauf und einen Nebenkreislauf besitzt. Innerhalb des Hauptkreislaufs ist eine Kühleranordnung integriert, welche mit einem innerhalb des Kühlkreislaufs befindlichen Kühlmittel durchlaufen werden kann. Die Kühlanordnung ist dazu ausgebildet, Wärme aus dem Kühlmittel heraus auf ein anderes Medium zu übertragen. Bei der Kühlanordnung kann es sich bevorzugt um einen typischen Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher handeln. Hierdurch kann die Wärme aus dem Kühlmittel zumindest teilweise beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben werden.
-
Innerhalb des Nebenkreislaufs ist eine Heizanordnung integriert, welche ebenfalls mit dem innerhalb des Kühlkreislaufs befindlichen Kühlmittel durchlaufen werden kann. Die Heizanordnung ist dazu ausgebildet, die in dem Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie auf ein anderes Medium zu übertragen. In vorteilhafter Weise kann es sich bei der Heizanordnung ebenfalls um einen Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher handeln, so dass die Wärme auf an diesem vorbei oder durch die Heizanordnung hindurch strömende Luft übertragbar ist. Besagte Luftströmung kann dann zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums herangezogen werden.
-
Die beiden Teilkreisläufe stehen mit einem die Brennkraftmaschine umgebenden Kühlmittelmantel in Verbindung. Besagter Kühlmittelmantel setzt sich aus zwei voneinander getrennten Kühlmittelmänteln zusammen. Näherhin ist einer dieser beiden Kühlmittelmäntel an bzw. um einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet, während der andere Kühlmittelmantel an bzw. um ein Kurbelgehäuse, also Motorblock der Brennkraftmaschine gelegen ist. Der Motorblock wird im Folgenden auch als Kurbelgehäuse bezeichnet. Dabei ist der Hauptkreislauf dazu vorgesehen, mit dem Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses fluidleitend verbunden zu werden. Auf diese Weise befindet sich der Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses, also des Motorblocks zusammen mit der Kühleranordnung innerhalb des Hauptkreislaufs. Entsprechend ist der Nebenkreislauf dazu vorgesehen, mit dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes fluidleitend verbunden zu werden. Folglich befinden sich der Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und die Heizanordnung gemeinsam innerhalb des Nebenkreislaufs.
-
Der sogenannte Hauptkreislauf kann hierbei entweder ausschließlich aus dem Motorblock-Kühlmittelmantel oder zumindest teilweise gleichzeitig auch aus einem unteren bzw. einlassseitigen Abschnitt des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels bestehen. Dementsprechend kann der Nebenkreislauf ausschließlich aus dem Zylinderkopf-Kühlmittelmantel oder auch nur aus einem oberen bzw. auslassseitigen Abschnitt des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels gebildet werden.
-
Weiterhin ist ein Regelmittel vorgesehen, welches fluidleitend mit dem Kühlkreislauf des Split-Kühlsystems verbunden ist. In seiner Anordnung ist das Regelmittel dazu ausgebildet, wenigstens den Hauptkreislauf bei Bedarf vollständig abzusperren. Mit anderen Worten kann ein Strömen des Kühlmittels innerhalb des Hauptkreislaufs vollständig durch das Regelmittel unterbunden werden. Dies im Übrigen unabhängig von dem Nebenkreislauf, so dass dieser trotz gesperrtem Hauptkreislauf auch weiterhin mit Kühlmittel durchströmbar ist.
-
Das Split-Kühlsystem ist - entgegen der im Stand der Technik bekannten Lösungen - derart ausgestaltet, dass Hauptkreislauf und Nebenkreislauf zumindest teilweise über das Regelmittel miteinander verbindbar sind. Hiernach ist das Regelmittel in der Lage den Hauptkreislauf und den Nebenkreislauf bei Bedarf fluidleitend miteinander zu verbinden. Im Ergebnis lässt sich die ansonsten strikte Trennung von Hauptkreislauf und Nebenkreislauf folglich durch die Anordnung des Regelmittels quasi umgehen.
-
Das Regelmittel ist hierfür stromabwärts der jeweiligen Kühlmittelmäntel des Zylinderkopfes und des Kurbelgehäuses der Brennkraftmaschine angeordnet. Hierdurch kann das Regelmittel mit einem Anteil an Kühlmittel durchströmt werden, welcher zuvor Abwärme der Brennkraftmaschine aufgenommen hat. Gegenüber - einer ebenfalls denkbaren - stromaufwärts gelegenen Anordnung des Regelmittels in Bezug auf die Brennkraftmaschine steht hierdurch die kurz zuvor aufgenommene Wärme aus der Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise nahezu direkt ohne nennenswerte Verluste für eine gezielte Weiterleitung zur Verfügung.
-
Es sind diverse Regelstellungen für das Regelmittel vorgesehen. So weist das Regelmittel eine Regelstellung in Form einer fünften Regelstellung auf, in welcher den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses verlassende Teilströme an Kühlmittel zumindest teilweise gemeinsam zu der Kühleranordnung leitbar sind. Durch diese Regelstellung ist es nun möglich, den gesamten Kühlmittelstrom durch den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine hin zu der Kühleranordnung zu leiten. Insbesondere bei hohen Temperaturen der Brennkraftmaschine lässt sich hierdurch eine maximale Kühlleistung erreichen, da sowohl der das Kurbelgehäuse umgebende Kühlmittelmantel als auch der den Zylinderkopf umgebende Kühlmittelmantel über die Kühleranordnung abkühlbar ist. Im Ergebnis wird so eine gegenüber den bisherigen Split-Kühlsystemen deutlich höhere Kühlleistung der Brennkraftmaschine erreicht, da nunmehr auch der vormals nicht über die Kühleranordnung abkühlbare Zylinderkopf der Brennkraftmaschine hinsichtlich seiner aktiven Kühlung mit erfasst ist.
-
Eine weitere Regelstellung des Regelmittels in Form einer sechsten Regelstellung sieht vor, dass den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses verlassende Teilströme an Kühlmittel zumindest teilweise gemeinsam zu der Heizanordnung leitbar sind. Aufgrund dieser möglichen Regelstellung ist es nun möglich, den gesamten durch den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine fließenden Kühlmittelstrom vollständig zu der Heizanordnung hin zu lenken. Insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen lässt sich hierdurch eine maximale Heizleistung erreichen, da der Fahrzeuginnenraum sowohl durch das über den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses als auch den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes erwärmte Kühlmittel aufheizbar ist. Im Ergebnis wird so eine gegenüber den bisherigen Split-Kühlsystemen deutlich höhere Heizleistung des Fahrzeugheizsystems erreicht, da nunmehr auch die vormals nicht zum Heizen zur Verfügung stehende Abwärme des den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses durchlaufenden Kühlmittels für die Heizanordnung genutzt werden kann.
-
Gemäß einer weiteren Regelstellung des Regelmittels in Form einer ersten Regelstellung sind den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verlassende Teilströme an Kühlmittel in ihrer Weiterleitung zumindest teilweise gesperrt. Hiernach ist vorgesehen, dass der Durchlauf des Kühlmittels durch den wie zuvor beschrieben aufgeteilten Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine aufgrund der ersten Regelstellung des Regelmittels gesperrt werden kann. Eine derartige Regelstellung wird insbesondere in solchen Phasen als vorteilhaft angesehen, in denen beispielsweise eine möglichst rasche Aufheizung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitigem Ausbleiben einer Heizanforderung erfolgen soll. Hiernach käme der die Brennkraftmaschine zumindest teilweise kühlende Strom des Kühlmittels quasi zum Erliegen, so dass selbst die ansonsten übliche Kühlung des Zylinderkopfes zumindest temporär ausbleiben kann. In der Folge findet keinerlei unerwünschter Wärmeverlust an die Brennkraftmaschine durchströmendes Kühlmittel statt, so dass sich eine überaus schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine aufgrund der in ihr stattfindenden Verbrennungsprozesse ergibt.
-
Weiterhin ist das Regelmittel in der Lage, einen Leckagekanal auszubilden. Als Leckagekanal wird im Sinne der Erfindung eine Öffnung angesehen, welche durch das Kühlmittel passierbar ist. Wie dem Ausdruck „Leckage“ zu entnehmen, handelt es sich hierbei um eine geringe Größenordnung derart, dass nur eine geringe Strömung des Kühlmittels durch den Leckagekanal hindurch möglich ist. Mit anderen Worten kann die durch den Leckagekanal hindurch ermöglichte Strömung des Kühlmittels auch als Sickerströmung bezeichnet werden. Der Leckagekanal kann in vorteilhafter Weise besonders bei gesperrtem Regelmittel dazu genutzt werden, insbesondere der Thermostatanordnung kontinuierlich die tatsächliche Temperatur des Kühlmittels in der Brennkraftmaschine zuzuführen. Mit anderen Worten besteht bei gesperrtem Regelventil die Möglichkeit, dass die Thermostatanordnung nicht mit der aktuell tatsächlich im Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine vorhandenen Kühlmitteltemperatur beaufschlagt wird. In der Folge kann es während dieses strömungslosen Zustandes des Kühlmittels dazu kommen, dass die Brennkraftmaschine überhitzt und die Thermostatanordnung nicht eingreifen kann.
-
Die sich hieraus insgesamt ergebenden Vorteile liegen im Wesentlichen darin begründet, dass nunmehr die bisweilen getrennt in Haupt- und Nebenkreislauf zirkulierenden Anteile des Kühlmittels miteinander kombiniert werden können. Auf diese Weise lässt sich über das Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes und zusätzlich die über den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses aufgenommene Wärme gemeinsam nutzen. Dank der Anordnung des Regelmittels kann die No-Flow-Strategie weiterhin beispielsweise für den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses, also des Motorblocks beibehalten werden, um eine rasche Aufwärmung der Brennkraftmaschine zu erreichen. Darüber hinaus ist es nun möglich, die Abwärme aus Kurbelgehäuse und Zylinderkopf gemeinsam über das Kühlmittel zu nutzen und bei Bedarf gemeinsam zu kühlen.
-
Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Regelmittel um ein Proportionalventil handeln, welches neben mehreren Anschlüssen entsprechend mehrere Wege beinhalten kann. Hiernach handelt es sich bei dem Regelmittel in besonders bevorzugter Weise nicht um ein einfaches Stromventil, sondern um ein Wegeventil. Proportionalventile sind auch unter den Begriffen Proportionalregelventile oder Stetigventile bekannt.
-
Es ist die Möglichkeit zur Bereitstellung einer Thermostatanordnung vorgesehen, welche in oder an dem Regelmittel angeordnet sein kann. In diesem Zusammenhang kann ferner eine Ableitung im Sinne eines Kanals für das Kühlmittel vorhanden sein, welche dann fluidleitend mit dem Regelmittel und dem Hauptkreislauf verbunden ist. Die Ableitung ist als Umgehung angedacht, über welche unabhängig von der jeweiligen Regelstellung des Regelmittels an dem Regelmittel anstehendes Kühlmittel an den Hauptkreislauf abgeben kann. Hierzu ist die Ableitung über die Thermostatanordnung verschließbar, so dass im regulären Betrieb des Split-Kühlsystems kein Kühlmittel durch die Ableitung strömt.
-
Hiernach ist die Thermostatanordnung dazu ausgebildet, trotz durch das Regelmittel zumindest teilweise geschlossenem Hauptkreislauf und/oder Nebenkreislauf das Kühlmittel zumindest teilweise in den Hauptkreislauf abzuleiten. Die hierfür notwendige Öffnung der Ableitung wird in vorteilhafter Weise dann vorgenommen, wenn die Überschreitung einer Höchsttemperatur für das Kühlmittel erfasst wird. Besonders bevorzugt ist die Thermostatanordnung hierzu entsprechend ausgestaltet, um besagte Überschreitung einer zuvor festgelegten Höchsttemperatur zu erkennen und daraufhin die Ableitung zu öffnen.
-
Neben etwaigen elektronischen Ausführungen kann die Thermostatanordnung hierzu beispielsweise ein Federelement aus Bimetall aufweisen, welches bei Übersteigen einer bestimmten Temperatur des Kühlmittels derart nachgibt oder eine Kraft aufbaut, um das Öffnen eines die Ableitung verschließenden Verschlusses vorzunehmen.
-
Auf diese Weise kann die Thermostatanordnung eine Ausfall-Funktion für den Fall übernehmen, dass das Regelmittel nicht in der vorgesehenen Art und Weise funktioniert. Eine solche Ausfall-Funktion ist auch als „Fail-Safe-Funktion“ bekannt, welche allgemein zur Abwendung oder zumindest einer Reduzierung von Schadensbildern bei Fehlfunktionen von Systemen dient. Demnach kann die Thermostatanordnung auch als „Fail-Safe-Thermostatanordnung“ bezeichnet werden. Die über die Thermostatanordnung implementierte Fail-Safe-Funktion kann dazu dienen, eine etwaige Überhitzung der Brennkraftmaschine zu verhindern, sofern das Regelmittel im Bedarfsfall nicht wie erforderlich öffnet und einen ausreichenden Kühlmittelstrom insbesondere zu der Kühleranordnung hin gewährleisten kann.
-
Dank der Anordnung der Thermostatanordnung ist sichergestellt, dass bei Überschreitung einer zuvor definierten Höchsttemperatur für das Kühlmittel dieses unabhängig von der Regelstellung des Regelmittels über den Hauptkreislauf hin zur Kühleranordnung geleitet werden kann.
-
Mit Hilfe des Leckagekanals ist es nun möglich, dass die Thermostatanordnung trotz gesperrtem Regelmittel kontinuierlich mit einer zumindest geringen Menge an Kühlmittel angeströmt werden kann. Diese geringe Menge reicht aus, um die tatsächlich aktuell vorhandene Temperatur des Kühlmittels in der Brennkraftmaschine an die Thermostatanordnung heranzutragen. Auf diese Weise kann trotz gesperrtem Regelmittel eine etwaige Überhitzung bzw. drohende Überhitzung erkannt und beispielsweise durch Öffnen der Ableitung abgewendet werden. Wie bereits zuvor erläutert, bewirkt ein Öffnen der Ableitung die Weiterleitung des Kühlmittels in den Hauptkreislauf und so zur Kühleranordnung hin, um entsprechend gekühlt zu werden.
-
Besonders bevorzugt ist der Leckagekanal so angelegt, dass dieser das Regelmittel im gesperrten Zustand mit dem Nebenkreislauf fluidleitend verbindet. Auf diese Weise findet die Sickerströmung zu der Heizanordnung hin statt, ohne dass es zu einem Abfluss über den Hauptkreislauf in Richtung Kühleranordnung kommt. Der sich hieraus ergebende Vorteil liegt in der trotz Sickerströmung durch den Leckagekanal gegebenen rascheren Erwärmung der Brennkraftmaschine im gesperrten Zustand des Regelmittels, wobei keinerlei Strömung des Kühlmittels mit entsprechender Abkühlung in Richtung Kühleranordnung erfolgt.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Split-Kühlsystems sieht die Möglichkeit zur Anordnung eines AGR-Systems vor. AGR (Abgasrückführung) dient der zumindest teilweisen Zuleitung von Abgas zurück zum Verbrennungsprozess. Ziel ist die weitere Reduzierung von Emissionen z. B. an Stickoxiden. Dies wird durch die Reduzierung des Sauerstoffgehaltes in der mit rückgeführtem Abgas vermischten Verbrennungsluft erreicht, was letztlich zu einer vorteilhaften Absenkung der Verbrennungstemperatur führt. Dieser Effekt kann nochmals verstärkt werden, indem das rückgeführte Abgas gekühlt wird.
-
Das so angeordnete AGR-System besitzt eine entsprechende Ausgestaltung, welche eine Möglichkeit zur Absenkung des rückzuführenden Abgases vorsieht. Folglich ist das AGR-System auch dazu vorgesehen, einen der Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine zumischbaren Teil an Abgas zu kühlen. Hiernach kann das AGR-System in vorteilhafter Weise stromaufwärts der Heizanordnung angeordnet sein. Insofern kann die Integration des AGR-Systems in bevorzugter Weise im Nebenkreislauf erfolgen.
-
Auf diese Weise kann die Abwärme des Abgases genutzt werden, indem diese über das AGR-System auf das den Nebenkreislauf durchströmende Kühlmittel übertragen wird. Durch die Anordnung des AGR-Systems stromaufwärts der Heizanordnung steht das so erwärmte Kühlmittel folglich direkt zur bedarfsweisen Beheizung des Fahrzeuginnenraums bereit. Dies ist insbesondere in einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine von Vorteil, in der das Kühlmittel zunächst noch kalt ist. Bei einer direkt ab Start erfolgenden Heizanfrage reicht die Temperatur des Kühlmittels folglich nicht aus, um diese in einem ausreichenden Maße zu bedienen. Da die Abgase und damit auch das AGR-System eine innerhalb kürzester Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine erfolgende Aufheizung erfahren, kann so die Abwärme des Abgases direkt für die Heizanordnung genutzt werden.
-
Die vorliegende Erfindung zeigt ein vorteilhaft weiterentwickeltes Split-Kühlsystem im Sinne eines Motorkühlsystems auf, welches trotz einfachem Aufbau neben einer verbesserten Erwärmung der Brennkraftmaschine auch eine bedarfsweise maximierte Leistung hinsichtlich der Kühlung der Brennkraftmaschine und der Erwärmung des Fahrzeuginnenraums bietet. Ermöglicht wird dies durch die erfindungsgemäße Anordnung des Regelmittels, durch welches die zuvor getrennten Kühlmittelströme durch die Brennkraftmaschine nunmehr gebündelt und so zusammen zur Kühleranordnung (maximale Kühlleistung) oder zur Heizanordnung (maximale Heizleistung) weitergeleitet werden können.
-
Im weiteren Verlauf ist die Erfindung auch auf eine Brennkraftmaschine mit einem Split-Kühlsystem gerichtet. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Split-Kühlsystem um das wie zuvor aufgezeigte Split-Kühlsystem handeln. Es ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann. Hier dient das Split-Kühlsystem sowohl der Kühlung der Brennkraftmaschine als auch dem Heizen des Fahrzeuginnenraums.
-
Das Split-Kühlsystem der Brennkraftmaschine umfasst einen Hauptkreislauf mit einer Kühleranordnung und einen Nebenkreislauf mit einer Heizanordnung. Von diesen beiden Teilkreisläufen des Kühlkreislaufs ist der Hauptkreislauf mit dem Kühlmittelmantel eines Kurbelgehäuses, also des Motor-blocks der Brennkraftmaschine fluidleitend verbunden, während der Nebenkreislauf mit dem Kühlmittelmantel eines Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine fluidleitend verbunden ist. Weiterhin ist ein Regelmittel vorgesehen, durch welches wenigstens der Hauptkreislauf bezüglich des Kühlmittelstroms im Bedarfsfall absperrbar ist. Das Regelmittel ist weiterhin dazu vorgesehen, die beiden Teilkreisläufe in Form des Hauptkreislaufs und des Nebenkreislaufs bei Bedarf zumindest teilweise fluidleitend miteinander zu verbinden.
-
Die sich hieraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Rahmen des zuvor vorgestellten Split-Kühlsystems erläutert, so dass an dieser Stelle auf die entsprechenden Ausführungen innerhalb der vorliegenden Beschreibung verwiesen wird. Dies gilt im Übrigen auch für das Kraftfahrzeug, welches eine Brennkraftmaschine mit einem Split-Kühlsystem beinhaltet.
-
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Split-Kühlsystem in der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine,
- 2 die schematische Darstellung aus 1 in einer alternativen Anordnung einer Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems,
- 3 die schematische Darstellung aus 2 in einer alternativen Ausgestaltung hinsichtlich des Anschlusses der Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems,
- 4 die schematische Darstellung aus 1 in einer geänderten Regelstellung einer Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems bei einer Heizanforderung,
- 5 die schematische Darstellung aus den 1 und 4 in einer weiteren Regelstellung der besagten Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems während der Heizanforderung,
- 6 die schematische Darstellung aus den 1, 4 und 5 in einer weiteren Regelstellung der besagten Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems während der Heizanforderung bei gleichzeitiger Kühlung des Kühlmittels,
- 7 die schematische Darstellung aus den 1 sowie 4 bis 6 in einer weiteren Regelstellung der besagten Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems mit maximaler Kühlleistung sowie
- 8 die schematische Darstellung aus den 1 sowie 4 bis 7 in einer letzten Regelstellung der besagten Komponente des erfindungsgemäßen Split-Kühlsystems mit maximaler Heizleistung.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass in den unterschiedlichen Figuren gezeigte gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen sind, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. Die Begriffe „obere“ und „untere“ beziehen sich jeweils auf die Zeichnungsebene.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einem erfindungsgemäßen Split-Kühlsystem 2. Die Brennkraftmaschine 1 eignet sich für den Einbau in oder an einem nicht näher gezeigten Kraftfahrzeug. Dabei dient das Split-Kühlsystem 2 im Wesentlichen der Kühlung der Brennkraftmaschine 1 und dem Heizen des Innenraums des Kraftfahrzeugs.
-
Die Brennkraftmaschine 1 ist vorliegend in ein Kurbelgehäuse 3 und einen Zylinderkopf 4 unterteilt, wobei der Zylinderkopf 4 einen oberen, also auslassseitigen Zylinderkopfbereich 5 und einen unteren, also einlassseitigen Zylinderkopfbereich 6 aufweist. Der Zylinderkopf 4 ist über seinen unteren, also einlassseitigen Zylinderkopfbereich 6 mit dem Kurbelgehäuse 3 verbunden. Sowohl Kurbelgehäuse 3 als auch Zylinderkopf 4 sind in nicht näher gezeigter Weise zumindest bereichsweise von einem Kühlmittelmantel umgeben, durch welchen hindurch ein innerhalb des Split-Kühlsystems 2 zirkulierbares und nicht weiter ersichtliches Kühlmittel geleitet werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Split-Kühlsystem 2 umfasst hierfür einen Hauptkreislauf 7 und einen Nebenkreislauf 8. Bei den beiden Kreisläufen 7, 8 kann es sich - wie hier gezeigt - im Wesentlichen um Leitungen, Kanäle, Rohre und/oder Schläuche handeln. Wie zu erkennen, ist in den Hauptkreislauf 7 eine Kühleranordnung 9 integriert, welche entsprechend fluidleitend mit dem Hauptkreislauf 7 verbunden ist. Bei der Kühleranordnung 9 kann es sich um einen Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher handeln, wie er typischerweise zur Kühlung von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen 1 verwendet wird. Demgegenüber weist der Nebenkreislauf 8 eine in diesen integrierte Heizanordnung 10 auf, welche ebenfalls entsprechend fluidleitend in den Nebenkreislauf 8 eingebunden ist. Bei der Heizanordnung 10 kann es sich ebenfalls um einen Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher handeln, wie er typischerweise zur Erwärmung von Fahrzeuginnenräumen Verwendung findet.
-
Es versteht sich von selbst, dass nachfolgend verwendete Ausdrücke wie „stromabwärts“ oder „stromaufwärts“ jeweils in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kühlmittels zu verstehen sind. Diese ist sowohl in 1 als auch in den weiteren Figuren durch die symbolhaft als Pfeile dargestellten Teile des Split-Kühlsystems 2 angedeutet.
-
Erfindungsgemäß ist ein Regelmittel 11 vorgesehen, welches vorliegend stromabwärts der Brennkraftmaschine 1, näherhin stromabwärts des Zylinderkopfes 4 und des Kurbelgehäuses 3 der Brennkraftmaschine 1 gelegen ist. Dabei ist das Regelmittel 11 seitlich an dem Zylinderkopf 4 angeordnet. Bei dem hier gezeigten Regelmittel 11 handelt es sich um ein Wegeventil in Form eines Proportionalventils (Proportionalregelventil), welches vorliegend - neben mehreren Anschlüssen - zwei interne Wege 12, 13 für das Kühlmittel aufweist. Dabei sind der in der Zeichnungsebene obere Weg 12 mit dem oberen, also auslassseitigen Zylinderkopfbereich 5 und der in der Zeichnungsebene untere Weg 13 mit dem unteren, also einlassseitigen Zylinderkopfbereich 6 jeweils fluidleitend verbunden.
-
Das Regelmittel 11 beinhaltet ferner eine Thermostatanordnung 14 sowie ein Steuerelement 15, wobei das Steuerelement 15 beispielsweise als Drehzylinder ausgeführt sein kann. Das Steuerelement 15 kann im Folgenden auch als Drehzylinder bezeichnet werden, ohne dass dies einschränkend wirken soll. Das Steuerelement 15 ist über einen Aktuator 16 um seine Längsachse herum verdrehbar innerhalb des Regelmittels 11 gelagert. Das Steuerelement 15 ist dazu ausgebildet, den Durchlauf des Kühlmittels durch das Regelmittel 11 und damit in die mit dem Regelmittel 11 fluidleitend verbundenen Leitungen und/oder Rohre des Split-Kühlsystems 2 zu beeinflussen. Hierzu weist das Steuerelement 15 in 1 nicht näher gezeigte Durchgangsbohrungen auf, welche insbesondere mit den beiden Wegen 12, 13 korrespondieren. Vorliegend befindet sich das Steuerelement 15 in einer ersten Regelstellung R1, in welcher ein Strömen des Kühlmittels unterbunden ist. Konkret sind in der hier gezeigten ersten Regelstellung R1 den Zylinderkopf 4 und das Kurbelgehäuse 3 verlassende Teilströme an Kühlmittel in ihrer Weiterleitung vollständig gesperrt.
-
Mit Blick auf das Steuerelement 15 wird deutlich, dass dieses einen Leckagekanal 17, aufweist, welcher sich zwischen dem ansonsten abgesperrten oberen Weg 12 des Regelmittels 11 und dem Nebenkreislauf 8 erstreckt. Der somit in der ersten Regelstellung R1 ausgebildete Leckagekanal 17 dient dazu, dass trotz gesperrtem Regelmittel 11 ein geringes Einströmen von Kühlmittel aus dem oberen, also auslassseitigen Zylinderkopfbereich 5 über den oberen Weg 12 in Form einer Sickerströmung in den Nebenkreislauf 8 hinein ermöglicht ist. Besagte Sickerströmung ist im Zusammenhang mit einer in das Regelmittel 11 über die Thermostatanordnung 14 implementierten Fail-Safe-Funktion zu sehen, wie im weiteren Verlauf noch näher verdeutlicht wird.
-
Neben der Thermostatanordnung 14 ist eine Ableitung 18 vorhanden, welche sich zwischen dem Regelmittel 11 und dem Hauptkreislauf 7 erstreckt. Durch ihre fluidleitende Verbindung mit dem Regelmittel 11 und dem Hauptkreislauf 7 dient die Ableitung 18 im Bedarfsfall als Umgehungskanal für das Kühlmittel. Hierfür weist das Regelmittel 11 im Bereich seines unteren Weges 13 eine Öffnung auf, über welche eine fluidleitende Verbindung zwischen dem unteren Weg 13 und der Ableitung 18 herstellbar ist. Im Normalbetrieb ist besagte Öffnung über einen beispielsweise federbelasteten Verschluss der Thermostatanordnung 14 verschlossen.
-
Die hier gezeigte erste Regelstellung R1 dient dem schnellstmöglichen Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 1, insbesondere aus dem Kaltstart heraus. Dank des über das Regelmittel 11 gesperrten Stroms an Kühlmittel können Kurbelgehäuse 3 und Zylinderkopf 4 nebst dem darin befindlichen und nicht näher ersichtlichen Motoröl innerhalb kürzester Zeit nach dem Start aufgeheizt werden. Dies insbesondere in einer Phase, in der - wie hier gezeigt - keine Heizanforderung über die Heizanordnung 10 vorliegt. Ursächlich für die rasche Erwärmung ist der bei stehendem Kühlmittel nicht vorhandene Verlust an Wärmeenergie an nachströmendes kühleres Kühlmittel.
-
Zwar kann über die in der ersten Regelstellung R1 vorhandene Sickerströmung durch den Leckagekanal 17 hindurch ein geringer Teil an über den oberen, also auslassseitigen Zylinderkopfbereich 5 erhitztem Kühlmittel über den Nebenkreislauf 8 hin zur Heizanordnung 10 gelangen, allerdings reicht die Wärmeenergie nicht für eine hohe Heizanforderung aus. Die Sickerströmung dient vielmehr dazu, die Thermostatanordnung 14 auch bei an sich gesperrtem Regelmittel 11 kontinuierlich mit schwach strömendem (und nicht durch Stehen abgekühltem) Kühlmittel zu beaufschlagen.
-
Hintergrund ist die Bereitstellung einer Fail-Safe-Funktion, welche bei drohender Überhitzung des Kühlmittels und/oder der Brennkraftmaschine 1 eine entsprechende Reaktion auslöst. Denn durch das zumindest geringe Anströmen der Thermostatanordnung 14 wird diese kontinuierlich mit Kühlmittel beaufschlagt, welches die aktuelle Temperatur des Kühlmittels im oberen Zylinderkopfbereich 5 aufweist. Da der obere Zylinderkopfbereich 5 bereits aufgrund der darin angeordneten und nicht näher ersichtlichen Auslässe für Abgas zum heißesten bzw. am schnellsten erwärmten Bereich der Brennkraftmaschine 1 zählt, ist die darin aktuell vorhandene Temperatur für eine derartige Überwachung ausschlaggebend.
-
Sofern nun das Erreichen bzw. Überschreiten einer zuvor festgelegten Temperatur des Kühlmittels durch die Thermostatanordnung 14 erkannt wird, öffnet diese ihren die Öffnung im unteren Weg 13 des Regelmittels 11 verschließenden Verschluss, so dass Kühlmittel quasi an dem Steuerelement 15 vorbei über die Ableitung 18 direkt in den Hauptkreislauf 7 und damit zur Kühleranordnung 9 gelangen kann. Im Ergebnis kann so die Thermostatanordnung 14 eine Ausfall-Funktion (Fail-Safe-Funktion) übernehmen. Hierdurch kann eine etwaige Überhitzung der Brennkraftmaschine 1 sicher verhindert werden, für den Fall, dass das Regelmittel 11 im Bedarfsfall nicht wie erforderlich öffnet und somit selbst keinen ausreichenden Kühlmittelstrom insbesondere zu der Kühleranordnung 9 hin gewährleistet.
-
Ersichtlich sind vorliegend weitere Komponenten für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit dem erfindungsgemäßen Split-Kühlsystem 2 vorhanden, bei denen es sich um eine Kühlmittelpumpe 19, einen Ausgleichsbehälter 20 sowie einen Ölkühler 21 handelt.
-
Die Kühlmittelpumpe 19 dient dem Umwälzen des Kühlmittels durch den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 1 und durch das Split-Kühlsystem 2. Hierzu ist die Kühlmittelpumpe 19 stromaufwärts der Brennkraftmaschine 1 gelegen, wobei sie direkt an deren Kurbelgehäuse 3 angeordnet ist. Die Kühlmittelpumpe 19 ist insofern in den Hauptkreislauf 7 integriert, wobei eine weitere Zuleitung 22 vorgesehen ist, welche die Kühlmittelpumpe 19 und den oberen Zylinderkopfbereich 5 direkt fluidleitend miteinander verbindet. Hierdurch kann ein Teil des Kühlmittelstroms unter Umgehung des Kurbelgehäuses 3, also des Motorblocks direkt über die Zuleitung 22 in den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfs 4 gelangen.
-
Der Ausgleichsbehälter 20 dient der Aufnahme von überschüssigem und der Abgabe von benötigtem Kühlmittel des Split-Kühlsystems 2, sowie der Abfuhr gasförmiger Bestandteile des Kühlmittels. Hierzu ist der Ausgleichsbehälter 20 über eine erste Aufnahmeleitung 23 mit der Kühleranordnung 9 fluidleitend verbunden, während eine weitere fluidleitende Verbindung über eine Ausgleichsleitung 24 besteht, welche sich zwischen dem Ausgleichsbehälter 20 und einem Bypass 25 erstreckt. Bei dem Bypass 25 handelt es sich um eine Leitung mit großem Innenquerschnitt, durch welche hindurch eine größere Menge an Kühlmittel unter Umgehung der Kühleranordnung 9 sowie der Heizanordnung 10 nach ihrem Durchlauf durch den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 1 wieder in diesen zurückgeführt werden kann. Hierzu erstreckt sich der Bypass 25 zwischen dem Regelmittel 11 und der Kühlmittelpumpe 19, wobei Bypass 25 und Hauptkreislauf 7 stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 19 zunächst in einem Knotenpunkt 26 zusammentreffen, mit welchem sie fluidleitend verbunden sind.
-
Des Weiteren ist vorliegend noch ein AGR-System 27 vorgesehen, welches in den Nebenkreislauf 8 fluidleitend integriert ist. Dabei ist das AGR-System 27 stromaufwärts der Heizanordnung 10 angeordnet. In dieser Lage ist das AGR-System 27 dazu ausgebildet, einen Teil an Abgas zunächst zu kühlen, bevor dieser der Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird. Hierdurch können in an sich bekannter Weise die Abgaswerte der Brennkraftmaschine 1 verbessert werden. Die dabei anstehende Abwärme kann nun in vorteilhafter Weise auf das Kühlmittel im Nebenkreislauf 8 übertragen werden, wo sie bei Bedarf über die nachgeschaltete Heizanordnung 10 zum Heizen des Fahrzeuginnenraums dienen kann. Zusätzlich ist das AGR-System 27 über eine zweite Aufnahmeleitung 28 mit dem Ausgleichsbehälter 20 fluidleitend verbunden, um bedarfsweise einen Teil des sich so erhitzenden und dabei ausdehnenden Kühlmittels in den Ausgleichsbehälter 20 leiten zu können.
-
In weiteren Ausführungen des Split-Kühlsystems 2 kann es vorteilhaft sein, den Ölkühler 21 als zusätzlichen Wärmetauscher in den Nebenkreislauf 8 zu integrieren. Hierbei kann der Ölkühler 21 in der Aufwärmphase Wärmeenergie von dem erwärmten Kühlmittel des Nebenkreislaufs 8 auf das Motoröl übertragen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn keine Wärme durch die Heizanordnung 10 abgeführt wird. In diesem Fall würde die Temperatur des Kühlmittels im Nebenkreislauf 8 relativ schnell einen Grenzwert überschreiten, so dass die „No-Flow-Strategie“ im Kurbelgehäuse 3, also im Motorblock vorzeitig aufgegeben bzw. Kühlmittel zur Kühleranordnung 9 geleitet werden müsste. Auf diese Weise kann die überschüssige Wärmeenergie aus dem Nebenkreislauf 8 dazu genutzt werden, das Motoröl schneller aufzuheizen.
-
2 zeigt eine solche alternative Ausführung, in der der Ölkühler 21 parallel in den Nebenkreislauf 8 zwischen einen Ausgang des Zylinderkopfes 4, insbesondere des oberen Zylinderkopfbereiches 5 und dem Regelmittel 11 integriert ist.
-
3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform, in welcher der Zylinderkopf 4, insbesondere der obere Zylinderkopfbereich 5 und der Ölkühler 21 in Reihe geschaltet sind.
-
In Bezug auf die nachfolgend noch zu erläuternden 4 bis 8 ist darauf hinzuweisen, dass die weiteren Ausführungen hierzu für alle in den 1 bis 3 zuvor aufgezeigten alternativen Ausgestaltungen hinsichtlich der Anordnung des Ölkühlers 21 gelten.
-
So zeigt 4 eine zweite mögliche Regelstellung R2 des Regelmittels 11, in welcher die vormals gesperrte Position aufgegeben wurde und ein Kühlmittelstrom ermöglicht ist. Diese wurde eingenommen, indem das Steuerelement 15 des Regelmittels 11 über den Aktuator 16 teilweise um seine Längsachse herum verdreht wurde. Wie zu erkennen, bildet nun eine in der Zeichnungsebene obere der bereits zuvor angesprochenen Durchgangsbohrungen 29 des Steuerelementes 15 eine Verlängerung des in der Zeichnungsebene oberen Weges 12 des Regelmittels 11. Mit anderen Worten stehen der obere Weg 12 und die obere Durchgangsbohrung 29 nun derart fluidleitend miteinander in Verbindung, dass insbesondere den Kühlmittelmantel des oberen, also auslassseitigen Zylinderkopfbereiches 5 durchströmendes Kühlmittel in den Nebenkreislauf 8 einströmen kann.
-
Die zweite Regelstellung R2 des Regelmittels 11 dient dazu, weiterhin eine möglichst rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 zu erwirken, während gleichzeitig eine moderate Heizanfrage über die Heizanordnung 10 bedient werden muss. Hierbei wird der im Vergleich zum restlichen Kühlmittel bereits wärmste Teil des Kühlmittels des oberen, also auslassseitigen Zylinderkopfbereiches 5 für das Erwärmen des Fahrzeuginnenraumes über die Heizanordnung 10 genutzt, während der Kühlmittelstrom in Bezug auf die Kühlmittelmäntel des unteren, also einlassseitigen Zylinderkopfbereiches 6 und des Kurbelgehäuses 3 weiterhin strömungslos verharrt. Hierdurch wird bei den letztgenannten Bereichen ein Verlust an Wärmeenergie vermieden, so dass diese weiterhin eine rasche Aufheizung erfahren.
-
5 zeigt eine dritte mögliche Regelstellung R3 des Regelmittels 11, welche durch eine weitere Verdrehung des Drehzylinders über den Aktuator 16 eingenommen wurde. Ersichtlich wird die obere Durchgangsbohrung 29 des Drehzylinders in der dritten Regelstellung R3 nun durch eine weitere in der Zeichnungsebene mittlere Durchgangsbohrung 30 ergänzt. Die mittlere Durchgangsbohrung 30 stellt nun zusätzlich eine fluidleitende Verbindung zwischen dem unteren Weg 13 des Regelmittels 11 und dem Bypass 25 zur Verfügung. In der dritten Regelstellung R3 kann folglich weiterhin eine moderate Heizanfrage über die Heizanordnung 10 bedient werden, während aufgrund steigender Temperaturen des restlichen Kühlmittels dieses teilweise direkt über den Bypass 25 in den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 1 rückgeführt werden kann. Hierdurch wird eine möglichst homogene Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht, da die Wärmeenergie über das Kühlmittel über den gesamten Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 1 gleichmäßig verteilt wird.
-
6 zeigt eine vierte mögliche Regelstellung R4 des Regelmittels 11, welche abermals über eine weitere Verdrehung des Drehzylinders durch den Aktuator 16 eingestellt wurde. Diese beinhaltet nun die Bereitstellung einer weiteren Durchgangsbohrung innerhalb des Drehzylinders in Form einer unteren Durchgangsbohrung 31. Erkennbar ist die untere Durchgangsbohrung 31 in der Lage, zusätzlich eine fluidleitende Verbindung zwischen dem unteren Weg 13 des Regelmittels 11 und dem Hauptkreislauf 7 herzustellen. Hierdurch kann den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 1 verlassendes Kühlmittel nun teilweise auch der Kühleranordnung 9 zugeführt werden.
-
Die vierte Regelstellung R4 des Regelmittels 11 dient dazu, neben einer gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels über den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine 1 und der Bedienung einer moderaten Heizanfrage über die Heizanordnung 10 nun auch die Kühlung des Kühlmittels über die Kühleranordnung 9 zu ermöglichen. Insofern kann die vierte Regelstellung R4 bevorzugt dann eingenommen werden, wenn die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine 1 erreicht wurde.
-
7 zeigt eine ebenfalls durch eine weitere Verdrehung des Drehzylinders über den Aktuator 16 einnehmbare fünfte Regelstellung R5 des Regelmittels 11. Die fünfte Regelstellung R5 beinhaltet die Bereitstellung eines innerhalb des Drehzylinders angeordneten internen ersten Bypasses 32. Erkennbar ist dieser dazu ausgebildet, den oberen Weg 12 des Regelmittels 11 mit der unteren Durchgangsbohrung 31 des Drehzylinders fluidleitend miteinander zu verbinden. In dieser Position kann ein den Zylinderkopf 4 und das Kurbelgehäuse 3 insgesamt verlassender Teilstrom an Kühlmittel direkt in den Hauptkreislauf 7 und damit hin zur Kühleranordnung 9 geleitet werden.
-
Da es in der fünfte Regelstellung R5 zu einer Umgehung der Heizanordnung 10 kommt und der gesamte die Brennkraftmaschine 1 umspülende Kühlmittelstrom nun insgesamt an die Kühleranordnung 9 geleitet wird, kann hierdurch trotz dem Vorhandensein eines Split-Kühlsystems 2 eine überaus vorteilhafte maximale Kühlleistung für die Brennkraftmaschine 1 erreicht werden.
-
8 zeigt eine letzte mögliche Regelstellung in Form einer sechsten Regelstellung R6 des Regelmittels 11. Diese wurde - wie zuvor auch - durch eine weitere Verdrehung des Drehzylinders über den Aktuator 16 eingenommen. Erkennbar steht in der sechsten Regelstellung R6 nun ein interner zweiter Bypass 33 zur Verfügung, welcher ebenfalls innerhalb des Drehzylinders ausgebildet ist. Der zweite Bypass 33 ist dazu ausgebildet, eine fluidleitende Verbindung zwischen dem unteren Weg 13 des Regelmittels 11 und der obere Durchgangsbohrung 29 des Drehzylinders herzustellen. Damit können die das Kurbelgehäuse 3 und den Zylinderkopf 4 verlassenden Teilströme an Kühlmittel gemeinsam in Richtung Heizanordnung 10 geleitet werden. Auf diese Weise kann der gesamte die Brennkraftmaschine 1 umspülende Kühlmittelstrom nun direkt - unter Umgehung der Kühleranordnung 9 - direkt zur Heizanordnung 10 hin geleitet werden.
-
Somit kann die sechste Regelstellung R6 des Regelmittels 11 insbesondere in den Phasen eingenommen werden, in denen eine maximale Heizleistung durch die Heizanordnung 10 angefragt ist. Da das erwärmte Kühlmittel dabei ausschließlich der Beaufschlagung der Heizanordnung 10 dient, kann diese dann zumindest temporär für eine maximale Erwärmung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Gleichzeitig findet auch eine Kühlung des Kühlmittels statt, welche dabei nicht über die Kühleranordnung 9 an die äußere Umgebungsluft, sondern über die Heizanordnung 10 in den Fahrzeuginnenraum hinein erfolgt.
-
Bezugszeichenliste:
-
- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Split-Kühlsystem für 1
- 3
- Kurbelgehäuse von 1
- 4
- Zylinderkopf von 1
- 5
- oberer Zylinderkopfbereich von 4
- 6
- unterer Zylinderkopfbereich von 4
- 7
- Hauptkreislauf von 2
- 8
- Nebenkreislauf von 2
- 9
- Kühleranordnung in 7
- 10
- Heizanordnung in 8
- 11
- Regelmittel von 2
- 12
- oberer Weg von 11
- 13
- unterer Weg von 11
- 14
- Thermostatanordnung von 11
- 15
- Steuerelement von 11
- 16
- Aktuator von 15
- 17
- Leckagekanal in 15
- 18
- Ableitung zwischen 11 und 7
- 19
- Kühlmittelpumpe von 1 bzw. 2
- 20
- Ausgleichsbehälter von 2
- 21
- Ölkühler
- 22
- Zuleitung zwischen 19 und 4
- 23
- erste Aufnahmeleitung zwischen 9 und 20
- 24
- Ausgleichsleitung zwischen 20 und 25
- 25
- Bypass von 2
- 26
- Knotenpunkt zwischen 7, 25 und 19
- 27
- AGR-System von 1 bzw. 2
- 28
- zweite Aufnahmeleitung zwischen 20 und 17
- 29
- obere Durchgangsbohrung in 15
- 30
- mittlere Durchgangsbohrung in 15
- 31
- untere Durchgangsbohrung in 15
- 32
- erster Bypass in 15 zwischen 12 und 31
- 33
- zweiter Bypass in 15 zwischen 13 und 29
- R1
- erste Regelstellung von 15 in 11
- R2
- zweite Regelstellung von 15 in 11
- R3
- dritte Regelstellung von 15 in 11
- R4
- vierte Regelstellung von 15 in 11
- R5
- fünfte Regelstellung von 15 in 11
- R6
- sechste Regelstellung von 15 in 11
