DE102016118713A1

DE102016118713A1 - Versorgungseinheit, Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016118713A1
Application number: DE102016118713.5A
Authority: DE
Inventors: Manfred Kloft; Ralf Lüders; Uwe Klippert; Christoph OTTO
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG; Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05

Abstract

Eine Versorgungseinheit (40) zur geregelten Verteilung eines Kühlmittels in einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine umfasst zumindest eine Kühlmittelpumpe (32), eine Regelvorrichtung (16) und einen Aktor (22) zur Betätigung der Regelvorrichtung (16), wobei die Regelvorrichtung (16) bei einer Ansteuerung des Aktors (22) mehrere Stellungen einnehmen kann, um verschiedenen Komponenten des Kühlsystems Kühlmittel zuzuführen oder um eine Zufuhr von Kühlmittel zu diesen Komponenten zu unterbinden. Eine solche Versorgungseinheit (40) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (32) ein Förderelement umfasst, das mit einem Rotor eines Elektromotors (108) direkt verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinheit zur geregelten Verteilung eines Kühlmittels in einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine betrifft weiterhin eine entsprechende Brennkraftmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge weisen in der Regel ein Kühlsystem auf, in dem ein Kühlmittel mittels einer oder mehrerer Pumpen in mindestens einem Kühlkreis gepumpt wird und dabei Wärmeenergie von in den Kühlkreis integrierten Komponenten, insbesondere einem Verbrennungsmotor sowie einem Ölkühler und/oder einem Ladeluftkühler, aufnimmt. Diese Wärmeenergie wird anschließend in einem Umgebungswärmetauscher, dem sogenannten Haupt(wasser)kühler, sowie zeitweise in einem Heizungswärmetauscher an die Umgebungsluft, im Fall des Heizungswärmetauschers an die zur Klimatisierung des Innenraums des Kraftfahrzeugs vorgesehene Umgebungsluft, abgegeben.
Kühlsysteme moderner Kraftfahrzeuge weisen vielfach mehrere Kühlkreise auf. Beispielsweise ist es bekannt, einen so genannten großen beziehungsweise Hauptkühlkreis sowie einen kleinen Kühlkreis vorzusehen, die abschnittsweise integral ausgebildet sind, und wobei mittels eines thermostatgesteuerten Ventils das Kühlmittel entweder über den großen oder den kleinen Kühlkreis geführt wird. Dies erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels, so dass beispielsweise in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine, wenn das Kühlmittel einen vorgesehenen Betriebstemperaturbereich noch nicht erreicht hat, dieses in dem kleinen Kühlkreis gefördert wird, wodurch der Hauptkühler, d.h. derjenige Umgebungswärmetauscher, in dem das Kühlmittel durch Wärmeübergang auf die Umgebungsluft hauptsächlich gekühlt wird, umgangen wird. Hat das Kühlmittel dagegen den Betriebstemperaturbereich erreicht, wird mittels des thermostatgesteuerten Ventils das Kühlmittel in dem großen Kühlkreis gefördert, so dass durch einen Wärmeübergang von dem Kühlmittel auf die Umgebungsluft ein Überhitzten des Kühlsystems vermieden wird. Der Heizungswärmetauscher als zweiter Umgebungswärmetauscher ist dagegen regelmäßig in den kleinen Kühlkreis integriert, wodurch auch schon in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine Beheizung des Innenraums des Kraftfahrzeugs ermöglicht wird.
Bei konventionell angetriebenen Kraftfahrzeugen, bei denen die Fahrantriebsleistung ausschließlich mittels einer Brennkraftmaschine erzeugt wird, kommen in der Regel sogenannte mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpen zum Einsatz, die von dem Verbrennungsmotor selbst angetrieben werden. Derartige mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpen können eine einfache konstruktive Ausgestaltung aufweisen und sind daher kostengünstig herstellbar. Als nachteilig bei mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpen kann sich jedoch die Abhängigkeit der Antriebsdrehzahl der Kühlmittelpumpen von den Drehzahlen der Abtriebswellen (z.B. Kurbel- oder Nockenwellen) der dazugehörigen Verbrennungsmotoren zeigen. Bereits bei konventionell angetriebenen Kraftfahrzeugen kann sich diese Abhängigkeit dahingehend negativ auswirken, dass eine Auslegung einer Kühlmittelpumpe hinsichtlich einer ausreichenden Förderleistung bei relativ niedrigen Drehzahlen zu einer Überdimensionierung der Förderleistung bei hohen Drehzahlen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors führen könnte. Eine solche Problematik kann jedoch durch eine regelbare Ausgestaltung einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe vermieden oder zumindest abgeschwächt werden. Eine solche regelbare mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe ist beispielsweise aus der DE 10 2010 044 167 A1 bekannt.
Bei den Kühlsystemen moderner Kraftfahrzeuge kann die Hauptregelung des Volumenstroms des Kühlmittels somit mittels regelbarer Kühlmittelpumpen erfolgen, während die Verteilung des Volumenstroms auf die einzelnen, jeweils einen unterschiedlichen Kühlbedarf aufweisenden Komponenten mittels aktiv und insbesondere über Thermostate angesteuerte Ventile gesteuert werden kann. Beispielsweise offenbart die DE 103 42 935 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlkreis, der eine von einem Verbrennungsmotor mechanisch angetriebene Pumpe umfasst. Der Fördervolumenstrom der Pumpe ist somit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängig. Um für mehrere in den Kühlkreis integrierte Wärmetauscher, wie insbesondere Kühlkanäle eines Zylinderkurbelgehäuses und eines Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors sowie einen Heizungswärmetauscher für eine Innenraumheizung eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeugs, individuell angepasste Volumenströme des Kühlmittels zu erreichen, sind eine Mehrzahl von jeweils individuell ansteuerbaren Regelventilen in den Kühlkreislauf integriert. Das aus der DE 103 42 935 A1 bekannte Kühlsystem ist daher konstruktiv aufwändig.
Bei dem aus der DE 10 2014 108 978 A1 bekannten Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug soll durch eine definierte Verschaltung von Verbrennungsmotor, Heizungswärmetauscher, Gebläse Umgebungswärmetauscher, ansteuerbarer Luftklappe und elektrisch angetriebener Kühlmittelpumpe auf die Integration von Thermostatventilen verzichtet werden können. Eine bedarfsgerechte Kühlung von weiteren Komponenten eines Kraftfahrzeugs scheint damit aber nicht möglich zu sein.
Aus der DE 10 2014 219 252 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Regelvorrichtung bekannt. Die Regelvorrichtung ermöglicht mittels eines einen ersten Sperrschieber bewegenden Aktors und eines zweiten, phasenweise von dem ersten Sperrschieber mitbewegten zweiten Sperrschiebers auf vergleichsweise einfache Weise die Realisierung einer betriebsabhängig angepassten Kühlmittelzufuhr zu den verschiedenen Komponenten eines Kühlsystems der Brennkraftmaschine. Dabei kommt eine mechanisch, d.h. von einer Welle eines Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine angetriebene Kühlmittelpumpe zum Einsatz.
Bei Hybridfahrzeugen, d.h. Kraftfahrzeugen mit hybridem Fahrantrieb, bei denen die Fahrantriebsleistung zumindest temporär von sowohl einer Brennkraftmaschine (direkt oder indirekt) als auch von einem Elektromotor erzeugt wird, ist der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine häufig und auch für einen längeren Zeitraum abgeschaltet, obwohl das Kraftfahrzeug in Betrieb genommen und insbesondere auch durch den elektrischen Fahrantrieb bewegt wird. Um auch in einem solchen Betriebszustand eines Hybridfahrzeugs die Funktionalität des Kühlsystems (teilweise) aufrechtzuerhalten, beispielsweise um eine Kühlung einzelner Komponenten des Antriebsstrangs und/oder eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs zu ermöglichen, werden bei Hybridfahrzeugen vielfach elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen eingesetzt, deren Antrieb ausschließlich durch einen hierfür vorgesehenen Elektromotor erfolgt (vgl. DE 10 2011 054 993 A1 ). Die hierfür am Markt erhältlichen Elektromotor-Kühlmittelpumpe-Einheiten sind relativ teuer.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlsystem, das mehrere Komponenten umfasst, auf möglichst einfache und kostengünstige Weise eine Anpassung der Kühlmittelströmung durch die einzelnen Komponenten zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 5 gelöst, die eine Versorgungseinheit gemäß dem Patentanspruch 1 umfasst. Ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Versorgungseinheit, der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinheit zur geregelten Verteilung eines Kühlmittels in einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine, wobei die Versorgungseinheit zumindest eine Kühlmittelpumpe, eine Regelvorrichtung und einen (vorzugsweise elektrischen, gegebenenfalls hydraulischen und/oder pneumatischen) Aktor zur Betätigung der Regelvorrichtung umfasst und wobei die Regelvorrichtung bei einer Ansteuerung des Aktors (und einer entsprechenden Betätigung mittels des Aktors) mehrere Stellungen einnehmen kann, um verschiedenen Komponenten des Kühlsystems Kühlmittel zuzuführen oder um eine Zufuhr von Kühlmittel zu diesen Komponenten zu unterbinden. Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist eine solche Versorgungseinheit dadurch, dass die Kühlmittelpumpe ein Förderelement umfasst, das mit einem Rotor eines Elektromotors direkt verbunden ist.
Vorgesehen ist folglich ein Direktantrieb (d.h. ohne Zwischenschaltung eines Getriebes) des Förderelements (z.B. Pumpenrad) der Kühlmittelpumpe mittels eines Elektromotors. Dadurch kann einerseits eine kompakte Bauform für die erfindungsgemäße Versorgungseinheit realisiert werden. Dies kann die Integrierbarkeit dieser Versorgungseinheit in eine (erfindungsgemäße) Brennkraftmaschine vorteilhaft beeinflussen. Eine besonders kompakte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit kann realisiert werden, wenn die Regelvorrichtung und der Elektromotor in ein (ggf. mehrteiliges) Gehäuse integriert sind oder zumindest einzelne Gehäuse dieser Komponenten direkt miteinander verbunden sind.. Eine solche Ausgestaltung kann sich zudem vorteilhaft hinsichtlich einer Abdichtung der Versorgungseinheit gegen ein Eindringen von Verschmutzung und/oder gegen ein ungewolltes Austreten von Kühlmittel auszeichnen. Ebenso vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung und der Aktor in ein (ggf. mehrteiliges) Gehäuse integriert oder ein (ggf. mehrteiliges) Gehäuse der Regelvorrichtung und ein (ggf. mehrteiliges) Gehäuse des Aktors (direkt) miteinander verbunden sind.
Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit liegt darin, dass durch eine Integration des Elektromotors in die Versorgungseinheit eine exponierte Anordnung des Elektromotors und/oder eines Getriebes, beispielsweise eines Riementriebs, das/der ein Förderelement der Kühlmittelpumpe mit einer Antriebswelle, beispielsweise mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors (vgl. DE 10 2014 219 252 A1 ) oder mit einem Abtriebsritzel eines Elektromotors, verbindet, vermieden werden kann. Hinzu kommt, dass durch einen Direktantrieb der Kühlmittelpumpe mit auf einer Abtriebswelle des Elektromotors sitzendem Förderelement eine aufwändige Lagerung einer Antriebswelle des Förderelements, beispielweise mittels eines oder mehreren abgedichteten doppelreihigen Wälzlagern, vermieden werden kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine, die zumindest einen Verbrennungsmotor und ein Kühlsystem aufweist, wobei das Kühlsystem zumindest eine Kühlmittelpumpe, einen Hauptkühler, einen Heizungswärmetauscher, Kühlmittelkanäle in dem Verbrennungsmotor sowie eine erfindungsgemäße Versorgungseinheit zur geregelten Verteilung eines Kühlmittels in Abhängigkeit von mindestens einer lokalen Kühlmitteltemperatur umfasst, wobei vorgesehen ist, dass die Regelvorrichtung bei einer Ansteuerung des Aktors in einer (Ansteuer- oder Bewegungs-)Richtung

– in einer ersten Hauptstellung eine Kühlmittelströmung durch den Verbrennungsmotor und den Heizungswärmetauscher zulässt und durch den Hauptkühler unterbindet und
– in einer zweiten Hauptstellung zusätzlich (im Vergleich zu zumindest der ersten Stellung) eine Kühlmittelströmung durch den Hauptkühler zulässt.

Eine solche erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann vorzugsweise zusätzlich einen den Heizungswärmetauscher umgehenden Bypass umfassen, wobei dann zudem vorgesehen sein kann, dass die Regelvorrichtung bei der Ansteuerung des Aktors

– in der ersten Hauptstellung eine Kühlmittelströmung durch den Bypass sowie den Hauptkühler unterbindet und
– in einer sich an die erste Hauptstellung anschließenden ersten Zwischenstellung zusätzlich (im Vergleich zu der ersten Stellung) eine Kühlmittelströmung durch den Bypass zulässt.

Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ermöglicht durch eine intelligente Abfolge eines Öffnens oder Schließens von Kühlmittel führenden Verbindungen zwischen der Regelvorrichtung und den bedarfsweise mit Kühlmittel zu versorgenden Komponenten des Kühlsystems die Kühlleistung für diese Komponenten bedarfsgerecht mittels lediglich eines anzusteuernden Aktors zu steuern oder zu regeln.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass in der ersten Hauptstellung der Regelvorrichtung lediglich ein relativ kleiner Volumenstrom des Kühlmittels mittels der Kühlmittelpumpe durch einen (den Hauptkühler umgehenden) kleinen Kühlkreis des Kühlsystems gefördert wird, wobei lediglich der Verbrennungsmotor (zumindest teilweise) und der Heizungswärmetauscher durchströmt werden. Dadurch, dass nur ein relativ kleiner Volumenstrom des Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor gefördert wird, kann insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ein schnelles Aufwärmen der entsprechenden Teilmenge des Kühlmittels und folglich ein relativ frühes Wirksamwerden des Heizungswärmetauschers und damit einer Heizung eines Kraftfahrzeugs, für dessen Antrieb die Brennkraftmaschine vorzugsweise vorgesehen ist, erreicht werden.
Unter einem „Heizungswärmetauscher“ wird folglich ein Wärmetauscher verstanden, in dem ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel des Kühlsystems auf Umgebungsluft, die zum Beheizen eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist, erfolgt.
Durch das Hinzuschalten des Bypasses in der ersten Zwischenstellung der Regelvorrichtung kann dann vorzugsweise bei zunehmender Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine ein Überhitzten des Kühlsystems und/oder des Verbrennungsmotors vermieden werden, indem, weiterhin in dem kleinen Kühlkreis und somit unter Umgehung des Hauptkühlers, durch den Verbrennungsmotor ein größerer Volumenstrom des Kühlmittels gefördert wird. Der den Heizungswärmetauscher umgehende Bypass kann dabei vorteilhaft sein, weil der maximale Volumenstrom durch den Heizungswärmetauscher, der durch die Querschnitte der Strömungsführungen des Heizungswärmetauschers und der zu diesem hin und von diesem weg führenden Leitungen des Kühlsystems begrenzt ist, vorzugsweise relativ klein dimensioniert ist und folglich nicht der gesamte Volumenstrom des Kühlmittels in der zweiten Stellung der Regelvorrichtung durch den Heizungswärmetauscher geführt werden kann und soll. Dies gilt insbesondere, weil vorgesehen sein kann, dass der Heizungswärmetauscher in der ersten und allen diesen nachfolgenden Stellungen der Regelvorrichtung von dem Kühlmittel durchströmt wird.
In der zweiten Hauptstellung der Regelvorrichtung erfolgt dann ein Zuschalten des Hauptkühlers, der durch einen Wärmeübergang von dem Kühlmittel an Umgebungsluft dem (insbesondere ausschließlichen) Zweck einer Kühlung des Kühlmittels dient. Somit kann vorgesehen sein, dass in der zweiten Hauptstellung der Regelvorrichtung das Kühlmittel in einem großen Kühlkreis des Kühlsystems gefördert wird.
Um sicherzustellen, dass in der zweiten Hauptstellung das gesamte Kühlmittel durch entweder den Heizungswärmetauscher oder den Hauptkühler geführt wird, kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung in der zweiten Hauptstellung eine Kühlmittelströmung durch den Bypass wieder unterbindet.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung in einer vor der ersten Hauptstellung liegenden Nullstellung eine Kühlmittelströmung durch den Verbrennungsmotor unterbindet und durch den Heizungswärmetauscher zulässt. Dadurch kann ein Heizungskreislauf für das Kühlmittel geschaffen werden, der insbesondere hinsichtlich der in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5 genannten Komponenten des Kühlsystems lediglich die Kühlmittelpumpe und den Heizungswärmetauscher (sowie teilweise die Versorgungseinheit) umfassen kann. Dies kann ermöglichen, die Funktionalität des Heizungswärmetauschers auszunutzen und damit insbesondere eine Innenraumheizung eines erfindungsgemäßen, zumindest eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine (vorzugsweise zur Erzeugung einer Fahrantriebsleistung) umfassenden Kraftfahrzeugs auch dann zu betreiben, wenn eine Kühlfunktionalität zur Kühlung einzelner oder aller übrigen (zu kühlenden) Komponenten des Kühlsystems nicht benötigt wird.
Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der Verbrennungsmotor der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nicht betrieben wird, wodurch von diesem keine Abwärme erzeugt wird, die mittels des Kühlmittels zu insbesondere dem Hauptkühler transportiert und dort an die Umgebungsluft abgegeben werden müsste. Relevant kann dies beispielsweise dann sein, wenn der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine nicht betrieben wird, dies jedoch für andere Komponenten der Brennkraftmaschine (und somit die Brennkraftmaschine an sich) und gegebenenfalls auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gilt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Verbrennungsmotor im Stillstand des Kraftfahrzeugs automatisch abgeschaltet worden ist („Start-Stopp-Automatik“), wobei weiterhin die Funktionalität der Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs aufrecht gehalten werden soll. Weiterhin ist ein entsprechender Betriebszustand für das Kraftfahrzeug dann möglich, wenn dieses vor einer vorgesehenen Nutzung vorgewärmt werden soll („Standheizungsfunktionalität“).
Weiterhin kann ein Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine bei gleichzeitigem Betrieb des Kraftfahrzeugs (und gegebenenfalls auch anderer Komponenten der Brennkraftmaschine) dann vorgesehen sein, wenn es sich bei diesem um ein Hybridfahrzeug handelt, das durch einen zusätzlichen elektrischen Fahrantrieb gekennzeichnet ist. In Betriebszuständen eines solchen Hybridfahrzeugs, in denen die Fahrantriebsleistung ausschließlich durch den elektrischen Fahrantrieb erzeugt wird, ist der Verbrennungsmotor in der Regel nicht in Betrieb, damit von diesem kein Kraftstoff verbraucht wird. Dennoch soll auch in diesen Betriebszuständen bei Bedarf die Funktionalität der Innenraumheizung gegeben sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit und damit auch einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor als Nassläufer ausgebildet und folglich vorgesehen ist, dass zumindest (und vorzugsweise ausschließlich, d.h. nicht auch ein Stator) ein Rotor des Elektromotors von dem Kühlmittel zumindest teilweise um- oder durchströmt wird oder zumindest mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt oder kommen kann. Dies weist einerseits den Vorteil auf, dass auf eine aufwändige Abdichtung des Rotors gegenüber Kühlmittel führenden Abschnitten der Versorgungseinheit und insbesondere der Regelvorrichtung verzichtet werden kann, was ansonsten bei einem sich bewegenden Rotor konstruktiv relativ aufwändig sein könnte. So kann insbesondere auf eine dynamische Abdichtung einer Abtriebswelle des Elektromotors (die insbesondere gleichzeitig eine Antriebswelle des Förderelements darstellen kann) verzichtet werden. Ein Stator des Elektromotors kann dagegen auf konstruktiv relativ einfache Weise statisch, beispielsweise mittels eines Spalttopfs, abgedichtet werden. Weiterhin kann sich ein als Nassläufer ausgebildeter Elektromotor auch durch ein vorteilhafte Kühlung mittels des mit dem Rotor in Kontakt kommenden Kühlmittels auszeichnen.
Eine Ausgestaltung eines für den Antrieb der Kühlmittelpumpe vorgesehenen Elektromotors als Trockenläufer, d.h. mit gegenüber dem Kühlmittel möglichst vollständig abgedichtetem Rotor, kann ebenfalls vorgesehen sein.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen elektrischen Antrieb der Kühlmittelpumpe der Brennkraftmaschine wird auf relativ einfache Weise die Möglichkeit geschaffen, die Förderleistung der Kühlmittelpumpe und damit die Kühlleistung des Kühlsystems im Vergleich zu rein mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpen bei relativ niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Diese verbesserte Kühlleistung bei relativ niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors kann ermöglichen, den Verbrennungsmotor mit höheren Verdichtungen arbeiten zu lassen, wobei eine sich aus den höheren Verdichtungen in der Regel ergebende höhere Klopfneigung, die insbesondere bei relativ niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors vorkommen kann, durch die verbesserte Kühlleistung kompensiert werden kann. Durch eine höhere Verdichtung steigt der thermodynamische Wirkungsgrad, was zur Verringerung
des Kraftstoffverbrauchs führt.
Da in der Nullstellung der Regelvorrichtung eine Durchströmung des Verbrennungsmotors (und insbesondere auch aller übrigen, regelmäßig Wärmeenergie auf das Kühlmittel übertragener Komponenten) nicht vorgesehen ist, fällt dieser (und auch die anderen Komponenten) als Wärmequelle für die Innenraumheizung weg. Vorzugsweise kann daher in das Kühlsystem eine Heizvorrichtung integriert sein, die in der Nullstellung der Regelvorrichtung von dem Kühlmittel durchströmbar ist (beziehungsweise im Betrieb der Kühlmittelpumpe durchströmt wird). Diese Heizvorrichtung, bei der es sich beispielsweise um eine elektrische (z.B. PTC-Heizelement) oder eine chemische (z.B. Latentwärmespeicher) Heizvorrichtung handeln kann, kann somit in den entsprechenden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs als Ersatzwärmequelle dienen, um die Funktionalität der Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs aufrecht zu halten.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung in der ersten Hauptstellung und/oder in der ersten Zwischenstellung und/oder in der zweiten Hauptstellung, insbesondere in allen Stellungen mit Ausnahme der Nullstellung, eine ausschließliche, d.h. nicht über zumindest einen der übrigen, in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5 genannten Komponenten geführte Verbindung zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Heizungswärmetauscher unterbindet. Dies kann in konstruktiv vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden, dass die Regelvorrichtung in der Nullstellung eine von Kühlmittelleitungen des Kühlsystems ausgebildete Verbindung zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Verbrennungsmotor verschließt und gleichzeitig eine Verbindung zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Heizungswärmetauscher freigibt. Beides kann insbesondere mittels eines einzelnen Verschlusselements erfolgen. Dadurch kann vermieden werden, dass während des Betriebs des Verbrennungsmotors ein Teil des Kühlmittels direkt von der Kühlmittelpumpe zu dem Heizungswärmetauscher gefördert wird, wodurch dieser Teil des Kühlmittels keine Wärmeenergie von zu kühlenden Komponenten der Brennkraftmaschine und insbesondere dem Verbrennungsmotor aufnehmen würde, was jedoch im Betrieb des Verbrennungsmotors gewollt ist, um insbesondere auf den gegebenenfalls vorgesehenen Betrieb der zusätzlichen Heizvorrichtung verzichten zu können.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass alle Stellungen der Regelvorrichtung mit Ausnahme der Nullstellung (und der zweiten Hauptstellung im Nichtbetrieb der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs) nur im Betrieb des Verbrennungsmotors eingestellt werden.
Eine vorteilhafte Kühlung des Verbrennungsmotors der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann erreicht werden, wenn sowohl ein Zylindergehäuse (insbesondere ein Zylinderkurbelgehäuse) als auch ein Zylinderkopf des Verbrennungsmotors jeweils mindestens einen Kühlkanal aufweisen, wobei die Kühlkanäle, gesteuert durch die Regelvorrichtung, bedarfsgerecht von dem Kühlmittel durchströmt werden. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung in ihrer ersten Hauptstellung eine Kühlmittelströmung durch den Kühlmittelkanal des Zylinderkopfs zulässt und durch den Kühlmittelkanal des Zylindergehäuses unterbindet. Dadurch kann erreicht werden, dass in einem Betrieb des Verbrennungsmotors während einer Warmlaufphase das Kühlmittel lediglich durch den Zylinderkopf (und den Heizungswärmetauscher) der Brennkraftmaschine, der im Vergleich zu dem Zylindergehäuse höher thermisch belastet ist und eine geringere, in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine gegebenenfalls noch Wärmeenergie aus dem Kühlmittel aufnehmende Masse aufweist, geführt wird, wodurch nicht nur das für die Heizleistung des Heizungswärmetauschers vorteilhafte schnelle Aufwärmen des Kühlmittels sondern gleichzeitig auch schon eine Kühlung für den Zylinderkopf erreicht werden kann. Ein Durchströmen des Kühlmittelkanals des Zylindergehäuses ist dagegen noch nicht vorgesehen, wodurch erreicht werden kann, dass in diesem Betriebszustand ein schnelleres Erwärmen von Zylinderwänden des Zylindergehäuses erreicht werden kann, was sich positiv auf Reibungsverluste zwischen Zylinder und Kolben sowie auf das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt.
Ein Zuschalten des Kühlmittelkanals des Zylindergehäuses in das Kühlsystem erfolgt vorzugsweise erst in einer (direkt) vor der zweiten Hauptstellung (und ggf. nach der ersten Zwischenstellung) liegenden zweiten Zwischenstellung der Regelvorrichtung, wobei dann die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bereits so hoch sein kann, dass eine Kühlung auch des Zylindergehäuses sinnvoll oder notwendig ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit und einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zudem vorgesehen sein, dass eine Verstellung zwischen zumindest zwei der Stellungen der Regelvorrichtung abgestuft oder stufenlos möglich ist, so dass die Regelvorrichtung in eine oder mehrere Teilstellungen stellbar und in diesen auch gehalten werden kann. Dadurch kann eine weiter verbesserte Anpassung einer Durchströmung der einzelnen Komponenten mittels des Kühlmittels in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Bedarf erreicht werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung in Abhängigkeit von einem Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors der Brennkraftmaschine zwischen mindestens zwei Stellungen der Regelvorrichtung und insbesondere zwischen der ersten oder zweiten Zwischenstellung und der zweiten Hauptstellung verstellbar ist. In einem solchen Betriebskennfeld kann insbesondere die Last über der Drehzahl, mit der der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine betrieben wird, aufgetragen sein. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Wärmeübergang von dem Kühlmittel auf Umgebungsluft in dem Hauptkühler in Abhängigkeit von dem Betriebszustand und folglich in Abhängigkeit von der Wärmeerzeugung des Verbrennungsmotors gesteuert werden. Dies ermöglicht beispielsweise, eine Temperatur des Kühlmittels möglichst konstant zu halten oder bedarfsweise auf einen definierten Wert oder Wertebereich, der insbesondere auch von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors abhängig sein kann, einzuregeln. Insbesondere kann bei relativ geringer Last und/oder Drehzahl eine höhere Kühlmitteltemperatur eingestellt oder eingeregelt werden, die zu einer entsprechend hohen Öltemperatur und damit relativ geringen Reibungsverlusten führen kann. Bei höherer Last und/oder Drehzahl kann die Kühlmitteltemperatur dagegen zum Schutz des Verbrennungsmotors vor thermischer Überlastung verringert werden. Ermöglicht werden kann dadurch auch eine vorausschauende Regelung einer Temperatur des Kühlmittels, die, anders als beispielsweise eine entsprechende Regelung mittels eines Temperatursensors, nicht auf eine bereits erfolgte Temperaturänderung reagierend ausgebildet ist. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass das Verstellen zwischen den mindestens zwei Stellungen in Abhängigkeit von dem Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors abgestuft oder stufenlos vorgesehen ist.
In einer konstruktiv relativ einfach umsetzbaren Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit kann vorgesehen sein, dass die Regelvorrichtung einen von dem Aktor translatorisch und/oder rotatorisch bewegten Sperrschieber umfasst, dessen mittels des Aktors bewirkte Bewegung zu einem den Stellungen der Regelvorrichtung entsprechenden Verschließen oder Freigeben von Einlässen und/oder Auslässen, die (in Kombination mit entsprechenden Kühlmittelleitungen) die Regelvorrichtung fluidleitend mit den entsprechenden Komponenten des Kühlsystems verbinden oder hierfür vorgesehen sind, führt.
Möglicherweise kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Regelvorrichtung mehr als einen Sperrschieber umfasst, wobei dann bevorzugt vorgesehen ist, dass nur ein erster der Sperrschieber von dem Aktor bewegt wird, während eine Bewegung des oder der anderen Sperrschieber (in zumindest einem Abschnitt der Bewegung des ersten Sperrschieber) durch den ersten Sperrschieber bewirkt wird.
Als konstruktiv vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn die Regelvorrichtung einen von dem Aktor bewegten ersten Sperrschieber und einen von dem ersten Sperrschieber bewegten zweiten Sperrschieber umfasst, wobei der zweite Sperrschieber (vorzugsweise ausschließlich) für das Erreichen der Nullstellung und der ersten Hauptstellung der Regelvorrichtung bewegt wird, wobei eine Verschlussstellung des zweiten Sperrschiebers die Nullstellung der Regelvorrichtung begründet und dieser für das Erreichen der ersten Hauptstellung in eine Öffnungsstellung bewegt wird. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass der erste Sperrschieber den zweiten Sperrschieber in seinem Bewegungsbereich nur teilweise mitbewegt. Dies ermöglicht insbesondere eine vereinfachte Ausgestaltungen des zweiten Sperrschiebers, der in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Versorgungseinheit lediglich bei einem Verstellen der Regelvorrichtung zwischen der Nullstellung und der ersten Hauptstellung (und gegebenenfalls andersherum) bewegt wird, während eine Bewegung des zweiten Sperrschiebers bei einem Verstellen der Regelvorrichtung zwischen den anderen Stellungen mittels des ersten Sperrschiebers nicht mehr vorgesehen ist. Eine solche Koppelung von erstem und zweitem Sperrschieber kann beispielsweise mittels eines Koppelhebelgetriebes, eines Malteserkreuzgetriebes und/oder eines Kurvengetriebes erreicht werden.
Eine Lagesicherung für den gegebenenfalls nicht dauerhaft an den ersten Sperrschieber gekoppelten zweiten Sperrschieber kann insbesondere auf einem Kraftschluss beruhen, indem für ein Bewegen des zweiten Sperrschiebers den Kraftschluss überwindende Kräfte erforderlich sind, die größer sind als diejenigen Kräfte, die sich infolge der Masse des zweiten Sperrschieber, d.h. trägheits- oder schwerkraftbedingt, und/oder aufgrund eines hydraulischen Drucks des Kühlmittels auf den zweiten Sperrschieber in den durch die Lagerung des zweiten Sperrschiebers ermöglichten Bewegungsrichtungen ergeben. Alternativ oder ergänzend kann auch eine formschlüssige Lagesicherung vorgesehen sein. Dabei kann insbesondere eine Lagersicherung des zweiten Sperrschiebers durch den ersten Sperrschieber erfolgen.
Eine konstruktiv einfache und insbesondere hinsichtlich des erforderlichen Bauraums vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit und damit auch einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Sperrschieber als Drehschieber ausgebildet sind.
Die Ansteuerung des Aktors der Regelvorrichtung erfolgt weiterhin bevorzugt in Abhängigkeit von einer dem Verbrennungsmotor zugeordneten lokalen Temperatur, die somit besonders bevorzugt in einem Kühlmittelkanal (besonders bevorzugt an einer Stelle, die einem Auslass dieses Kühlmittelkanals näher gelegen ist als einem Einlass) und/oder in einem an einen Auslass dieses Kühlmittelkanals angeschlossenen Abschnitt des Kühlsystems gemessen wird. Hierzu kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen in dem Kühlmittelkanal des Verbrennungsmotors oder in einer sich in Strömungsrichtung des Kühlmittels direkt an diesen Kühlmittelkanal anschließenden Kühlmittelleitung angeordneten Kühlmitteltemperatursensor aufweisen.
Sofern dabei lediglich ein Temperatursensor vorgesehen sein soll, ist dieser vorzugsweise in einem Kühlmittelkanal des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors angeordnet. Eine verbesserte Regelung der Verteilung des Kühlmittels mittels der Regelvorrichtung kann jedoch dadurch erzielt werden, dass diese in Abhängigkeit von sowohl einer lokalen Temperatur des Kühlmittels in dem Zylinderkopf als auch einer lokalen Temperatur des Kühlmittels in dem Zylindergehäuse angesteuert wird. Demnach kann ein erster, in einem Kühlmittelkanal des Zylinderkopfs angeordneter Kühlmitteltemperatursensor und ein zweiter, in einem Kühlmittelkanal des Zylindergehäuses angeordneter Kühlmitteltemperatursensor vorgesehen sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW) handeln.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine und eine erfindungsgemäße Versorgungseinheit werden nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine schematisch in einem Blockschaltbild;
2: eine erfindungsgemäße Versorgungseinheit in einer ersten perspektivischen Ansicht;
3: die Versorgungseinheit in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
4: Teile der Versorgungseinheit in einer Explosionsdarstellung;
5: die Versorgungseinheit mit nur teilweise gezeigtem Gehäuse;
6: einen Aktor und die von diesem direkt oder indirekt betätigten Sperrschieber der Versorgungseinheit in isolierter Darstellung;
7: einen ersten Querschnitt durch die Versorgungseinheit im Bereich der Sperrschieber mit einer Regelvorrichtung der Versorgungseinheit in einer Nullstellung;
8: eine Darstellung gemäß der 7 mit der Regelvorrichtung in einer ersten Hauptstellung; und
9: einen zweiten Querschnitt durch die Versorgungseinheit im Bereich des Pumpenrads und eines Elektromotors einer Kühlmittelpumpe und
10: die Durchströmung der einzelnen Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß der 1 mittels des Kühlmittels in Abhängigkeit von den verschiedenen Stellungen der Regelvorrichtung bei angetriebener Kühlmittelpumpe.
Die 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 10, der beispielsweise als nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip arbeitender Hubkolben-Verbrennungsmotor ausgebildet sein kann und ein Zylindergehäuse 12 sowie einen Zylinderkopf 14 umfasst. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine noch eine Versorgungseinheit 40 auf, die eine Kühlmittelpumpe 32, eine Regelvorrichtung 16 mit einem ersten Sperrschieber 18 und einem zweiten Sperrschieber 20 sowie einen Aktor 22 umfasst. Der erste Sperrschieber 18 ist mittels des Aktors 22 bewegbar, während der zweite Sperrschieber 20 in einem Abschnitt der möglichen Gesamtbewegung des ersten Sperrschiebers 18 von diesem mitbewegt wird.
Die Versorgungseinheit 40 ist in ein Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert. In dieses Kühlsystem sind zudem noch Kühlmittelkanäle 24, 26 des Zylindergehäuses 12 und des Zylinderkopfs 14, ein Heizungswärmetauscher 28 sowie ein Hauptkühler 30 integriert. Die einzelnen Komponenten des Kühlsystems sind dabei über Kühlmittelleitungen fluidleitend verbunden. Weiterhin umfasst das Kühlsystem noch einen Bypass 34, der unter Umgehung sowohl des Heizungswärmetauschers 28 als auch des Hauptkühlers 30 einen Auslass 84 der Regelvorrichtung 16 mit einem (zweiten) Einlass 46 der Kühlmittelpumpe 32 verbindet.
Die 2 bis 9 zeigen eine mögliche erste konstruktive Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Versorgungseinheit 40 zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine gemäß beispielsweise der 1. Die Versorgungseinheit 40 umfasst in einer strukturell zusammenhängenden Einheit eine Kühlmittelpumpe 32, eine Regelvorrichtung 16 und einen Aktor 22. Bei der Regelvorrichtung 16 dieser Versorgungseinheit 40 sind die Sperrschieber 18, 20 in Form von Drehschiebern ausgebildet, die in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Drehausrichtungen Ein- und Auslässe für das die Regelvorrichtung 16 durchströmende Kühlmittel verschließen oder freigeben.
Die Versorgungseinheit 40 umfasst ein erstes (mehrteiliges) Gehäuse 36, in das die Sperrschieber 18, 20, ein Pumpenrad 38 der als Flügelradpumpe ausgebildeten Kühlmittelpumpe 32, ein Elektromotor 108, der als Antrieb für die Kühlmittelpumpe 32 dient, sowie eine dem Elektromotor 108 zugeordnete Leistungselektronik 42 integriert sind. Der Aktor 22 umfasst dagegen ein separates Gehäuse 142, dass direkt über Verschraubungen mit dem Gehäuse 36 verbunden ist.
Das als Förderelement der Kühlmittelpumpe 32 dienende Pumpenrad 38 ist gemäß der 9 direkt drehfest mit einem Rotor 110 des Elektromotors 108 verbunden. Hierzu bildet der Rotor 110 an insgesamt drei Positionen kreisförmige Vertiefungen aus, in die jeweils ein kreisring- beziehungsweise rohrförmiger Vorsprung des Pumpenrads 38 eingreift. In den Bereichen der Vertiefungen und Vorsprünge sind jeweils koaxial ausgerichtete Rückführkanäle 112 für das Kühlmittel in dem Rotor 110 und dem Pumpenrad 38 vorgesehen. Sowohl der Rotor 110 als auch das Pumpenrad 38 sind mittels jeweils eines Gleitlagerelements 114 drehbar auf einer Lagerachse 116 des Elektromotors 108 gelagert. Mit einem Abschnitt an dem bezüglich des Pumpenrads 38 distalen Ende ist die Lagerachse 116 in eine von dem Gehäuse 36 ausgebildete Aufnahmeöffnung eingesteckt und darin mittels beispielsweise einer Schraub- oder Pressverbindung gesichert. Dadurch ist die Lagerachse 116 sowohl in axialer Richtung als auch radialer Richtung unbeweglich innerhalb des Gehäuses 36 gelagert. An seinem bezüglich des Rotors 110 distalen Ende bildet das Pumpenrad 38 zwei ringförmig umlaufende Vorsprünge 118 aus, die in zwei bezüglich der Vorsprünge des Pumpenrads 38 radial versetzte, ebenfalls ringförmig umlaufende Vorsprünge 118 des Gehäuses 36 eingreifen und dadurch eine Labyrinthdichtung ausbilden, durch die ein ungewolltes Rückströmen von bereits unter Druck gesetztem Kühlmittel von einem Hochdruckraum 126 der Kühlmittelpumpe 32 in einen Niederdruckraum 128, der von dem Hochdruckraum 126 mittels des Pumpenrads 38 separiert ist, gering zu halten.
Der Rotor 110 des Elektromotors 108 umfasst einen mit dem Pumpenrad 38 verbundenen Tragkörper 130 sowie eine Mehrzahl von auf dem Umfang des Tragkörpers 130 angeordneten Permanentmagneten 132. Den Rotor umgibt in koaxialer Anordnung ein in das Gehäuse 36 integrierter Stator 134, der in bekannter Weise einen Kern 136 sowie eine Vielzahl von den Kern umgebende Spulen 138 umfasst. Durch eine Beaufschlagung der Spulen 138 mit elektrischer Energie wird der Rotor 110 in bekannter Weise in Rotation versetzt und treibt dadurch das Pumpenrad 38 der Kühlmittelpumpe 32 an. Dies erfolgt leistungsgeregelt in Abhängigkeit von dem konkreten Kühlleistungsbedarf einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, wobei dieser Kühlleistungsbedarf von einer Steuerungsvorrichtung, insbesondere einer Motorsteuerung 86 der Brennkraftmaschine, anhand der Auswertung einer Vielzahl von Sensoren, insbesondere Temperatursensoren, ermittelt wird. Die Steuerungsvorrichtung steuert die ebenfalls in das Gehäuse 36 der Versorgungseinheit 40 integrierte Leistungselektronik 42 an, die den Elektromotor 108 entsprechend mit elektrischer Energie beaufschlagt.
Der Elektromotor 108 ist als Nassläufer ausgebildet. Folglich sind keine konstruktiven Maßnahmen vorgesehen, die sicher verhindern, dass der Rotor 110 mit Kühlmittel in Kontakt kommt. Insbesondere ist keine aufwändige Abdichtung für den umlaufenden Spalt, der zwischen dem Pumpenrad 38 und einem den Kern 136 und die Spulen 138 abdichtend aufnehmenden Aufnahmekörper 140 des Stators 134 vorgesehen. Weiterhin wird auf zusätzliche Dichtelemente zur sicheren Abdichtung der drehbaren Lagerung des Pumpenrads 38 auf der Lagerachse 116 verzichtet.
Alternativ zu der in der 9 dargestellten Anordnung der Leistungselektronik 42 in axialer Verlängerung der Einheit aus Pumpenrad 38, Rotor 110 und Lagerachse 116 kann auch vorgesehen sein, diese an anderer Seite in das Gehäuse 36 zu integrieren oder die ein eigenes Gehäuse aufweisende Leistungselektronik an beliebiger Stelle mit dem Gehäuse 36 der Versorgungseinheit 40 zu verbinden. Die konkrete Anordnung der Leistungselektronik 42 kann insbesondere von dem für die Integration der (die Leistungselektronik 42 umfassenden) Versorgungseinheit 40 zur Verfügung stehenden Bauraum abhängen. Beispielsweise kann bei einer Anordnung der Leistungselektronik 42 umfangsseitig des Stators 134 die Abmessung der Versorgungseinheit entlang der Rotationsachse des Rotors 110 relativ gering gehalten werden.
Zur Förderung des Kühlmittels wird dem Pumpenrad 38 Kühlmittel über einen ersten Einlass 44 und einen zweiten Einlass 46 der Kühlmittelpumpe 32 zugeführt. Der erste Einlass 44 ist über eine Kühlmittelleitung mit einem Auslass 50 des Hauptkühlers 30 verbunden. Der zweite Einlass 46 ist über Kühlmittelleitungen mit sowohl dem Bypass 34 als auch einem Auslass 52 des Heizungswärmetauschers 28 verbunden. Dabei ist vorgesehen, dass die den Bypass 34 ausbildende Kühlmittelleitung als Kanal in das Gehäuse 36 der Versorgungseinheit 40 integriert ist.
Durch die Rotation des Pumpenrads 38 wird das Kühlmittel durch einen innerhalb des Gehäuses 36 ausgebildeten Kühlmittelkanal 54 zu einem ersten Auslass 56 der Regelvorrichtung 16 geführt. Dieser erste Auslass 56 ist in einer Nullstellung 58 der Regelvorrichtung 16 mittels eines Verschlusselements 60 des in einer Verschlussstellung befindlichen zweiten Sperrschiebers 20 verschlossen (vgl. auch 7). Dadurch ist eine Kühlmittelförderung durch den Verbrennungsmotor 10 unterbunden. Gleichzeitig ist jedoch eine Verbindung zwischen dem von dem Pumpenrad 38 kommenden Kühlmittelkanal 54 und einem zweiten Auslass 120 der Regelvorrichtung 16 von dem Verschlusselement 60 freigegeben, so dass von der Kühlmittelpumpe 32 gefördertes Kühlmittel über den zweiten Auslass 120 und einen (in den 4 und 5 nicht dargestellten) Anschlussstutzen 124 über eine beispielsweise elektrisch betriebene Heizvorrichtung 122 zu einem Einlass 64 des Heizungswärmetauschers 28 und von diesem wieder zu der Kühlmittelpumpe 32 geführt wird. In der Nullstellung 58 der Regelvorrichtung 16 wird das Kühlmittel demnach in einem lediglich die Heizvorrichtung 122, den Heizungswärmetauscher 28 und die Kühlmittelpumpe 32 umfassenden Heizungskreislauf gefördert. Dies ist in einem Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors 10 bei gleichzeitig geforderter Funktionalität einer über den Heizungswärmetauscher 28 mit Wärmeenergie versorgten Innenraumheizung vorgesehen, wie dies insbesondere bei einem eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfassenden Hybridfahrzeug während der temporären Bereitstellung der Fahrantriebsleistung ausschließlich mittels eines zusätzlichen elektrischen Fahrantriebs gegeben sein kann.
In der Nullstellung 58 der Regelvorrichtung 16 befindet sich der erste Sperrschieber 18 in einer Ausrichtung, bei der ein dritter Auslass 62 der Regelvorrichtung 16, der über eine Kühlmittelleitung ebenfalls mit dem Einlass 64 des Heizungswärmetauschers 28 verbunden ist, mittels eines ersten Verschlusselements 66 des ersten Sperrschiebers 18 verschlossen ist.
Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ist zunächst vorgesehen, kein Kühlmittel durch das Kühlsystem zu fördern, indem der Elektromotor 108 nicht in Betrieb genommen ist. Ein Kaltstart der Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Brennkraftmaschine Temperaturen aufweisen, die im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entsprechen, zumindest jedoch unterhalb einer definierten Grenztemperatur liegen. Auf diese Weise wird eine Kühlwirkung des Kühlmittels für die verschiedenen zu kühlenden Komponenten des Kühlsystems vermieden, so dass sich diese und insbesondere der primär im Betrieb der Brennkraftmaschine Abwärme übertragende Zylinderkopf 14 möglichst schnell erwärmen, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch und die Zusammensetzung des von dem Verbrennungsmotor 10 erzeugten Abgases auswirkt.
Nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine und dem Erreichen eines definierten ersten Grenzwerts für eine lokale Kühlmitteltemperatur, die mittels eines ersten, in der Nähe eines Auslasses 68 des Zylinderkopfs 14 in den Kühlmittelkanal 26 integrierten ersten Kühlmitteltemperatursensors 70 gemessen wird, erfolgt ein Verstellen der Regelvorrichtung 16 von der Nullstellung 58 in eine erste Hauptstellung 72 mittels des Aktors 22. Der Aktor 22 wird dazu von der Motorsteuerung 86 der Brennkraftmaschine, der das Signal des Kühlmitteltemperatursensors 70 übermittelt wird, angesteuert. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Verstellen der Regelvorrichtung 16 von der Nullstellung 58 in die erste Hauptstellung 72 in Abhängigkeit von der mittels des ersten Kühlmitteltemperatursensors 70 gemessenen lokalen Kühlmitteltemperatur abgestuft oder stufenlos durch ein von einem Temperaturanstieg abhängiges Verdrehen des ersten Sperrschieber 18 und des damit noch drehend gekoppelten zweiten Sperrschieber 20 bewirkt wird. Möglich kann dabei auch ein zwischenzeitliches Zurückdrehen der Sperrschieber 18, 20 sein. Ein Verdrehen des ersten Sperrschiebers 18 erfolgt mittels des Aktors 22, der mit dem ersten Sperrschieber 18 über eine Welle 48 verbunden ist (vgl. 4).
In der ersten Hauptstellung der Regelvorrichtung 16 befindet sich der zweite Sperrschieber 20 in einer Öffnungsstellung, in der der erste Auslass 56 nicht mehr von dem Verschlusselement 60 verschlossen sondern im Wesentlichen vollständig freigegeben ist. Gleichzeitig verschließt das Verschlusselement 60 des zweiten Sperrschiebers 20 nunmehr jedoch den zweiten Auslass 120 (vgl. 8), wodurch der den Verbrennungsmotor 10 umgehende Heizungskreislauf unterbrochen ist.
In der ersten Hauptstellung der Regelvorrichtung 16 befindet sich der erste Sperrschieber 18 in einer Ausrichtung, in der dessen erstes Verschlusselement 66 den dritten Auslass 62 nicht mehr verschließt sondern im Wesentlichen vollständig freigibt. Gleichzeitig verschließt ein zweites Verschlusselement 74 des ersten Sperrschiebers 18 einen mit einem Auslass 76 des Zylindergehäuses 12 in Verbindung stehenden ersten Einlass 78 der Regelvorrichtung 16, einen mit einem Einlass 80 des Hauptkühlers 30 über eine Kühlmittelleitung in Verbindung stehenden vierten Auslass 82 der Regelvorrichtung 16 sowie den mit dem Bypass 34 verbundenen fünften Auslass 84 der Regelvorrichtung 16. In der ersten Hauptstellung der Regelvorrichtung 16 wird somit eine durch die Kühlmittelpumpe 32 bewirkte zirkulierende Förderung des Kühlmittels lediglich in einem kleinen, die Kühlmittelpumpe 32, die Versorgungseinheit 40, den Zylinderkopf 14 und den Heizungswärmetauscher 28 umfassenden Kühlkreis bewirkt.
Nach dem Erreichen eines definierten zweiten Grenzwerts für die mittels des ersten Kühlmitteltemperatursensors 70 gemessene lokale Kühlmitteltemperatur in dem Zylinderkopf 14 wird die Regelvorrichtung 16 von der ersten Hauptstellung 72 in eine erste Zwischenstellung 88 verstellt. Dabei wird der erste Sperrschieber 18 in eine Ausrichtung verdreht, in der der fünfte Auslass 84 von dem zweiten Verschlusselement 74 zunehmend freigegeben wird, wodurch der Bypass 34 parallel zu dem Heizungswärmetauscher 28 in den kleinen Kühlkreis integriert wird. Der erste Einlass 78 und der vierte Auslass 82 der Regelvorrichtung 16 sind dabei weiterhin von dem ersten Sperrschieber 18 verschlossen. Der zweite Sperrschieber 20 verbleibt während dieser Bewegung des ersten Sperrschiebers 18 in seiner Öffnungsstellung, da dieser nicht mehr drehend an den ersten Sperrschieber 18 gekoppelt ist.
Durch die Integration des Bypasses 34 in den Kühlkreislauf kann der insgesamt geförderte Volumenstrom des Kühlmittels erhöht werden, um eine entsprechend hohe Kühlleistung für den Zylinderkopf 14 zu erreichen.
Die nur phasenweise Drehkopplung des ersten Sperrschiebers 18 an den zweiten Sperrschieber 20 wird durch Segmentverzahnungen 94 bewirkt, die nur dann miteinander in Eingriff sind, wenn der erste Sperrschieber 18 zwischen der Nullstellung 58 und der ersten Hauptstellung 72 der Regelvorrichtung 16 hin und her gedreht wird. Eine Lagesicherung des zweiten Sperrschiebers 20 in seiner Öffnungsstellung wird formschlüssig durch den ersten Sperrschieber 18 erreicht, indem ein sich an die Segmentverzahnung 94 des ersten Sperrschiebers 18 anschließender Ringabschnitt 104 in eine sich an die Segmentverzahnung 94 des zweiten Sperrschiebers 20 anschließende konkave Vertiefung 106 eingreift und in dieser bei der Rotation des ersten Sperrschiebers 18 gleitend bewegt wird.
Nach einem Erreichen eines definierten dritten definierten Grenzwerts für die mittels des ersten Kühlmitteltemperatursensors 70 gemessene lokale Kühlmitteltemperatur in dem Zylinderkopf 14 und/oder nach einem Erreichen eines ersten definierten Grenzwerts für eine mittels eines zweiten, in der Nähe des Auslasses 76 des Zylindergehäuses 12 angeordneten Kühlmitteltemperatursensors 90 gemessene lokale Kühlmitteltemperatur in dem Zylindergehäuse 12 wird die Regelvorrichtung 16 von der erste Zwischenstellung 88 in eine zweite Zwischenstellung 92 verstellt. Dabei wird der erste Sperrschieber 18 in eine Ausrichtung verdreht, in der das zweite Verschlusselement 74 zusätzlich auch den ersten Einlass 78 der Regelvorrichtung 16 zunehmend freigibt. Folglich wird von diesem dann lediglich noch der vierte Auslass 82 der Regelvorrichtung 16 verschlossen gehalten und damit eine Durchströmung des Hauptkühlers 30 unterbunden. In der Zwischenstellung 92 ist somit auch eine Durchströmung des Zylindergehäuses 12 durch das Kühlmittel vorgesehen.
Nach dem Erreichen eines definierten vierten Grenzwerts für die mittels des ersten Kühlmitteltemperatursensors 70 gemessene lokale Kühlmitteltemperatur in dem Zylinderkopf 14 und/oder nach dem Erreichen eines zweiten definierten Grenzwerts für die mittels des zweiten Kühlmitteltemperatursensors 90 gemessene lokale Kühlmitteltemperatur in dem Zylindergehäuse 12 und/oder in Abhängigkeit von einem in der Motorsteuerung 86 abgespeicherten Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine wird die Regelvorrichtung 16 von der zweiten Zwischenstellung 92 in eine zweite Hauptstellung 96 verstellt. Dabei erfolgt ein zunehmendes Freigegeben des dritten Auslasses 82 der Regelvorrichtung 16 und folglich ein Einbinden des Hauptkühlers 30 in einen dann großen Kühlkreis, während gleichzeitig in zunehmendem Maße der vierte Auslass 84 der Regelvorrichtung 16 durch das zweite Verschlusselement 74 des ersten Sperrschieber 18 wieder verschlossen wird (vgl. 10). Dadurch wird sichergestellt, dass, mit Ausnahme eines vergleichsweise geringen Teils der Kühlmittelströmung, der durch den Heizungswärmetauscher 28 geführt wird, das Kühlmittel vollständig über den Hauptkühler 30 geleitet wird und darin durch einen Wärmeübergang auf Umgebungsluft gekühlt wird.
Die zweite Hauptstellung 96 der Regelvorrichtung 16 ist weiterhin für einen Nichtbetrieb eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs vorgesehen. Dadurch soll zum einen eine „Failsafe“-Funktionalität realisiert werden, durch die bei einem Defekt des Aktors 22 der Versorgungseinheit 40, der beispielsweise durch Marderbiss im Nichtbetrieb des Kraftfahrzeugs hervorgerufen worden sein kann, weiterhin ein (funktional eingeschränkter) Betrieb des Kühlsystems mit stets ausreichender Kühlleistung gewährleistet werden kann. Zudem erleichtert die dritte Stellung 96 der Regelvorrichtung 16 im Nichtbetrieb des Kraftfahrzeugs und damit auch der Brennkraftmaschine ein Befüllen und Entleeren des Kühlsystems im Rahmen von Wartungsarbeiten.
Das erste Gehäuse 36 der Versorgungseinheit 40 ist für ein direktes Verschrauben mit dem Zylinderkopf 14 des Verbrennungsmotors 10 an derjenigen Seite, die den ersten Auslass 56, den ersten Einlass 78 sowie einen zweiten Einlass 98, der mit dem Auslass 68 des Zylinderkopfs 14 verbunden ist, ausbildet, vorgesehen.
Eine Abdichtung des ersten Sperrschieber 18 und des zweiten Sperrschieber 20 in dem Gehäuse 36 wird mittels jeweils eines (mittels einer Tellerfeder 102) federbelasteten, ringförmigen Dichtungselements 100 bewirkt.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Zylindergehäuse
14: Zylinderkopf
16: Regelvorrichtung
18: erster Sperrschieber
20: zweiter Sperrschieber
22: Aktor
24: Kühlmittelkanal des Zylindergehäuses
26: Kühlmittelkanal des Zylinderkopfs
28: Heizungswärmetauscher
30: Hauptkühler
32: Kühlmittelpumpe
34: Bypass
36: erstes Gehäuse der Versorgungseinheit
38: Pumpenrad / Förderelement
40: Versorgungseinheit
42: Leistungselektronik
44: erster Einlass der Kühlmittelpumpe
46: zweiter Einlass der Kühlmittelpumpe
48: Welle
50: Auslass des Hauptkühlers
52: Auslass des Heizungswärmetauschers
54: Kühlmittelkanal
56: erster Auslass der Regelvorrichtung
58: Nullstellung der Regelvorrichtung
60: Verschlusselement des zweiten Sperrschiebers
62: dritter Auslass der Regelvorrichtung
64: Einlass des Heizungswärmetauschers
66: erstes Verschlusselement des ersten Sperrschiebers
68: Auslass des Zylinderkopfs
70: erster Kühlmitteltemperatursensor
72: erste Hauptstellung der Regelvorrichtung
74: zweites Verschlusselement des ersten Sperrschiebers
76: Auslass des Zylindergehäuses
78: erster Einlass der Regelvorrichtung
80: Einlass des Hauptkühlers
82: vierter Auslass der Regelvorrichtung
84: fünfter Auslass der Regelvorrichtung
86: Motorsteuerung
88: erste Zwischenstellung der Regelvorrichtung
90: zweiter Kühlmitteltemperatursensor
92: zweite Zwischenstellung der Regelvorrichtung
94: Segmentverzahnung
96: zweite Hauptstellung der Regelvorrichtung
98: zweiter Einlass der Regelvorrichtung
100: Dichtungselement
102: Tellerfeder
104: Ringabschnitt
106: Vertiefung
108: Elektromotor
110: Rotor des Elektromotors
112: Aufnahmeöffnung des Rotors und des Pumpenrads
114: Gleitlagerelement
116: Lagerachse
118: Vorsprung des Pumpenrads und des Gehäuses
120: zweiter Auslass der Regelvorrichtung
122: Heizvorrichtung
124: Anschlussstutzen
126: Hochdruckraum der Kühlmittelpumpe
128: Niederdruckraum der Kühlmittelpumpe
130: Tragkörper des Rotors des Elektromotors
132: Permanentmagnet des Rotors des Elektromotors
134: Stator des Elektromotors
136: Kern des Stators des Elektromotors
138: Spule des Stators des Elektromotors
140: Aufnahmekörper des Stators des Elektromotors
142: Gehäuse des Aktors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010044167 A1 [0004]
DE 10342935 A1 [0005, 0005]
DE 102014108978 A1 [0006]
DE 102014219252 A1 [0007, 0013]
DE 102011054993 A1 [0008]

Claims

Versorgungseinheit (40) zur geregelten Verteilung eines Kühlmittels in einem Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Kühlmittelpumpe (32), einer Regelvorrichtung (16) und einem Aktor (22) zur Betätigung der Regelvorrichtung (16), wobei die Regelvorrichtung (16) bei einer Ansteuerung des Aktors (22) mehrere Stellungen einnehmen kann, um verschiedenen Komponenten des Kühlsystems Kühlmittel zuzuführen oder um eine Zufuhr von Kühlmittel zu diesen Komponenten zu unterbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe (32) ein Förderelement (38) umfasst, das mit einem Rotor (110) eines Elektromotors (108) direkt verbunden ist.
Versorgungseinheit (40) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) und der Elektromotor (108) in ein Gehäuse (36) integriert sind.
Versorgungseinheit (40) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) und der Aktor (22) in ein Gehäuse integriert oder ein Gehäuse der Regelvorrichtung (16) und ein Gehäuse des Aktors (22) miteinander verbunden sind.
Versorgungseinheit (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (108) als Nassläufer ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (10) und einem Kühlsystem, das eine Kühlmittelpumpe (32), einen Hauptkühler (30), einen Heizungswärmetauscher (28), Kühlmittelkanäle (24, 26) in dem Verbrennungsmotor (10) sowie eine Versorgungseinheit (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur geregelten Verteilung eines Kühlmittels in Abhängigkeit von mindestens einer lokalen Kühlmitteltemperatur umfasst, wobei die Regelvorrichtung (16) der Versorgungseinheit (40) bei einer Ansteuerung des Aktors (22) der Versorgungseinheit (40) in einer Richtung – in einer ersten Hauptstellung (72) eine Kühlmittelströmung durch den Verbrennungsmotor (10) und den Heizungswärmetauscher (28) zulässt und durch den Hauptkühler (30) unterbindet und – in einer zweiten Hauptstellung (96) zusätzlich eine Kühlmittelströmung durch den Hauptkühler (30) zulässt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein den Heizungswärmetauscher (28) umgehender Bypass (34) vorgesehen ist und dass die Regelvorrichtung (16) bei der Ansteuerung des Aktors (22) – in der ersten Hauptstellung (72) eine Kühlmittelströmung durch den Bypass (34) unterbindet und – in einer sich an die erste Hauptstellung (72) anschließenden ersten Zwischenstellung (88) zusätzlich eine Kühlmittelströmung durch den Bypass (34) zulässt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) in einer vor der ersten Hauptstellung (72) liegenden Nullstellung (58) eine Kühlmittelströmung durch den Verbrennungsmotor (10) unterbindet und durch den Heizungswärmetauscher (28) zulässt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine in der Nullstellung (58) der Regelvorrichtung (16) von dem Kühlmittel durchströmbare Heizvorrichtung (122).
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) in der ersten (72) Hauptstellung und/oder in der ersten Zwischenstellung (88) und/oder in der zweiten Hauptstellung (96) eine ausschließliche Verbindung der Kühlmittelpumpe (32) mit dem Heizungswärmetauscher (28) unterbindet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) in der zweiten Hauptstellung (96) eine Kühlmittelströmung durch den Bypass (34) wieder unterbindet.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) einen von dem Aktor (22) bewegten ersten Sperrschieber (18) und einen von dem ersten Sperrschieber (18) bewegten zweiten Sperrschieber (20) umfasst, wobei eine Verschlussstellung des zweiten Sperrschiebers (20) die Nullstellung der Regelvorrichtung (16) darstellt.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sperrschieber (18) innerhalb seines Bewegungsbereichs den zweiten Sperrschieber (20) nur abschnittsweise mitbewegt.
Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (16) in Abhängigkeit von einem Betriebskennfeld der Brennkraftmaschine zwischen der ersten Zwischenstellung (88) und der zweiten Hauptstellung (96) verstellbar ist.
Kraftfahrzeug mit einer zur Erzeugung einer Fahrantriebsleistung vorgesehen Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 5 bis 13.
Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen elektrischen Fahrantrieb.