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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeuges, insbesondere für einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor, umfassend ein an eine Vorlaufleitung zum Ableiten von durch den Verbrennungsmotor erhitztem Kühlmittel angeschlossenes Thermostatventil zum Einleiten des Kühlmittels in eine Bypassleitung eines kleinen Kühlkreislaufs während der Startphase des Verbrennungsmotors sowie zum Einleiten des Kühlmittels in eine Zuführleitung eines Fahrzeugkühlers eines großen Kühlkreislaufs während der normalen Betriebsphase des Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dessen Kühlsystem derart ausgebildet ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieses Kühlsystems.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf gasbetriebene Verbrennungsmotoren. Beispielsweise bei Kraftfahrzeugen mit CNG-Kraftstoffversorgung (CNG = Compressed Natural Gas) wird gewöhnlich ein Druckregler verwendet, welcher den Gasdruck von im Speicherzustand beispielsweise 200 bar auf 8 bar reduziert. Bei diesem Zieldruck kann das als Kraftstoff verwendete Gas dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Infolge des Joule-Thomson-Effekts wird durch die Druckreduzierung eine erhebliche Gasabkühlung bewirkt. Dem wird gewöhnlich mit einer Kühlwasserheizung entgegengewirkt. Insbesondere während der Startphase des Motors enthält das Kühlmittel meist noch keine hinreichende Wärmeenergie. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ist nicht allein auf Kraftfahrzeuge beschränkt, sondern kann auch auf andere gasbetriebene Fahrzeuge, wie insbesondere Flugzeuge, Schiffe oder Schienenfahrzeuge angewendet werden.
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Stand der Technik
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Gemäß dem allgemeinen Stand der Technik besitzen Kühlsysteme von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren einen kleinen sowie einen großen Kühlkreislauf. Außerdem ist meist auch ein Wärmetauscher zur Fahrzeugbeheizung in das Kühlsystem integriert. Nach Motorstart ist zunächst der kleine Kühlkreislauf aktiv, wobei das Kühlmittel durch eine Kühlmittelpumpe durch Gehäusestrukturen des Verbrennungsmotors gepumpt wird, dabei die im Verbrennungsmotor erzeugte Wärme aufnimmt und thermostatgesteuert über eine Bypassleitung zurückleitet. Ziel ist zunächst ein schnelles Aufwärmen des Verbrennungsmotors während dieser Startphase. Parallel wird auch ein Wärmetauscher zur Fahrzeugbeheizung mit dem sich langsam erwärmenden Kühlmittel versorgt. Erreicht die Kühlmitteltemperatur am Thermostat eine Auslösetemperatur von gewöhnlich ca. 85°C, so wird thermostatgesteuert der große Kühlkreislauf in Betrieb genommen, bei welchem das heiße Kühlmittel zu einem Fahrzeugkühler und erst von dort zurück zum Verbrennungsmotor geleitet wird. Die Kühlwirkung des Fahrzeugkühlers wird dabei durch ein Lüfterrad unterstützt, welches beispielsweise elektrisch oder direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden kann.
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Aus der
DE 102 10 303 A1 geht ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges hervor, welches mit einem kleinen und großen Kühlkreislauf ausgestattet ist und neben der Kühlung des Verbrennungsmotors auch einen integrierten Heizungswärmetauscher sowie eine Wischwasserheizung mit aus dem Kühlmittel stammender Wärmeenergie versorgt. Um den Verbrennungsmotor zum einen schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen und andererseits auch eine schnelle Beheizung des Fahrzeuginnenraumes zu gewährleisten, weist das Kühlsystem einen ersten externen Kühlmittelkreislauf und einen zweiten externen Kühlmittelkreislauf auf. Der erste Kühlmittelkreislauf umfasst einen ersten Vorlauf und einen ersten Rücklauf, worüber die Abwärme des Verbrennungsmotors einem Fahrzeugkühler zugeführt wird. Der zweite Kühlmittelkreislauf weist einen zweiten Vorlauf und einen zweiten Rücklauf auf, um die Abwärme des Verbrennungsmotors auch einem Heizungswärmetauscher zuzuführen. Der erste Vorlauf und der zweite Vorlauf sind an einem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors angeschlossen.
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Weiterhin ist ein Verteilerventil vorgesehen, welches in einer ersten Schaltstellung den ersten Rücklauf und den zweiten Rücklauf miteinander verbindet und in einer zweiten Schaltstellung den zweiten Rücklauf mit dem ersten Vorlauf verbindet. Durch diese spezielle Verschaltung der jeweiligen Vor- und Rückläufe wird insbesondere während der Startphase des Verbrennungsmotors der kleine Kühlkreislauf bereits über den Heizungswärmetauscher geleitet, so dass von Anfang an die vom Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme auch zur Fahrzeugheizung nutzbar gemacht wird.
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Während der Startphase des Motors ist der große Kühlkreislauf faktisch stillgelegt. Dieser wird erst nach Umschalten des Thermostatventils in Betrieb genommen. Eine erst an diesen Ereigniszeitpunkt gekoppelte Versorgung eines Kraftstoffwärmetauschers zur Kompensierung der vom Druckunterschied hervorgerufenen Gasabkühlung könnte während der Startphase des Verbrennungsmotors eventuell nicht die gewünschte Wirkung erzielen. Infolge der Entspannungskälte wird der gasförmige Kraftstoff und die diesen steuernden Komponenten bei kalten Außentemperaturen auf -40°C und weniger abgekühlt, was aus Bauteilschutzgründen und wegen der Kühlmittelvereisungsgefahr nicht akzeptabel ist. Da der Abkühlungseffekt vom Gasmassenstrom und damit von der Motorleistung abhängig ist, wird die Leistungsabgabe und damit die erzielbare Fahrzeuggeschwindigkeit bis zur Erwärmung des Motors stark eingeschränkt. Weiterhin ist zu verhindern, dass kryogene Kraftstoffe in ihrer flüssigen Ausgangsform zum Verbrennungsmotor gelangen. Es ist bereits versucht worden, einen sogenannten Buffertank im Bereich des Kraftstoffwärmetauschers anzuordnen, der für die Startphase des Verbrennungsmotors und das nachfolgende Fahren den gasförmigen Kraftstoff mit der Umgebungstemperatur vorhält. Nachteilig hierbei sind jedoch das zu diesem Zweck erforderliche zusätzliche Volumen im Kraftfahrzeug und die hiermit zusammenhängenden Sicherheitsvorkehrungen zur Absicherung des Speicherdrucks.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem für insbesondere einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor mit einem herkömmlichen ersten und zweiten thermostatgesteuerten Kühlkreislauf dahingehend weiter zu verbessern, dass ein zusätzlicher Kraftstoffwärmetauscher während der Startphase des Verbrennungsmotors in einfacher Weise eine Gas-, Bauteil- und Kühlwasserabkühlung infolge des Abkühlungseffekts des Gasmassenstroms hinreichend mindert, so dass innerhalb kürzester Zeit die volle Motorleistung bereitgestellt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Betrieb eines solchen Kühlsystems wird auf Anspruch 8 verwiesen. Der Anspruch 10 ist auf ein gasbetriebenes Fahrzeug mit einem solchen Kühlsystem gerichtet. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass neben einem thermostatgesteuerten kleinen Kühlkreislauf ein zusätzlicher Kraftstoffheizkreislauf zum Transport von Umgebungswärme zu einem Wärmekrafttauscher vorgesehen ist, der diesen eingangsseitig über eine Wärmevorlaufleitung mit dem Fahrzeugkühler verbindet, wobei eine ausgangsseitig am Kraftstoffwärmetauscher angeschlossene Wärmerücklaufleitung an einer Abführleitung des Fahrzeugkühlers angeschlossen ist. Somit nutzt dieser zusätzliche Kraftstoffheizkreislauf Teile des großen Kühlkreislaufs während der Startphase des Verbrennungsmotors, um die Umgebungswärme zum Kraftstoffwärmetauscher zu transportieren.
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Versuche haben ergeben, dass die hierüber dem Kraftstoffwärmetauscher zugeführte Umgebungswärme insbesondere während der Startphase des Verbrennungsmotors hinreicht, um der druckentspannungsbedingten Gasabkühlung entgegenzuwirken. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eben auch die umgebende Luft als Wärmequelle in Betracht kommt, um eine Abkühlung des gasförmigen Kraftstoffs unter die Umgebungstemperatur zu verhindern.
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Mit anderen Worten geht die erfindungsgemäße Lösung davon aus, dass während der Startphase des Verbrennungsmotors ein Teil des großen Kühlkreislaufs genutzt wird. Denn beim Motorstart mit kaltem Motor ist der große Kühlkreislauf durch das Thermostatventil stillgelegt. Das Kühlmittel kann nun vorzugsweise über zusätzliche Ventile vom Kraftstoffwärmetauscher zum Fahrzeugkühler und wieder zurück geführt werden. Dabei wird eine Trennung vom kleinen Kühlkreislauf realisiert.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt somit in einer Entkopplung der konkurrierenden Anforderungen, einerseits den Verbrennungsmotor schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, was über den kleinen Kühlkreislauf erfolgt, und zeitparallel eine Mindesttemperatur des gasförmigen Kraftstoffs und der diesen zuführenden Bauteile zu halten. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit die Zeit bis zum Erreichen der Volllastfähigkeit des Verbrennungsmotors verkü rzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in den zusätzlichen Kraftstoffheizkreislauf eine separate Kühlmittelpumpe integriert wird. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von der Umgebung zum Kraftstoffwärmetauscher erhöht. Vorzugsweise sollte diese separate Kühlmittelpumpe im Bereich der Wärmerücklaufleitung des Kraftstoffheizkreislaufs angeordnet sein. Außerdem kann auch eine herkömmliche gemeinsame Kühlmittelpumpe für den kleinen und den großen Kühlkreislauf im Bereich der Rücklaufleitung für das abgekühlte Kühlmittel am Verbrennungsmotor angeordnet werden. Die beiden Kühlmittelpumpen lassen sich somit derart in das Kühlsystem integrieren, dass diese sich nicht gegenseitig beeinträchtigen.
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Um eine gegenseitige Beeinträchtigung der verschiedenen Kreisläufe des Kühlsystems mit einfachen technischen Mitteln zu vermeiden, wird gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass zwischen der gemeinsamen Rücklaufleitung und der Abführleitung des Fahrzeugkühlers ein Absperrventil zum Trennen des kleinen Kühlkreislaufs gegenüber dem großen Kühlkreislauf während der Startphase des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
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Hierdurch kann der große Kühlkreislauf vollständig separiert werden, so dass dieser während der Startphase der Gasabkühlungsminderung zur Verfügung steht. Es wird also eine Abtrennung des Kraftstoffheizkreislaufs vom kleinen Kühlkreislauf und vom großen Kühlkreislauf erzielt. Neben einem aktiv gesteuerten Absperrventil, beispielsweise einem elektromagnetischen Hydraulikventil, können auch geeignete Rückschlagventile oder dergleichen zum Einsatz kommen.
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Die auf den zusätzlichen Kraftstoffheizkreislauf gerichtete erfindungsgemäße Lösung gestattet auch den parallelen Betrieb eines Heizungswärmetauschers zum Aufheizen des Innenraums des Kraftfahrzeuges, welcher zusätzlich an den kleinen und/oder großen Kühlkreislauf anschließbar ist, vorzugsweise an einer gemeinsamen Vorlaufleitung.
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Vorzugsweise ist der Kraftstoffwärmetauscher an ein kraftstoffdurchströmtes Gehäuse eines CNG-Druckreglers und/oder eines LNG-Heizers (LNG = Liquid Natural Gas) angeschlossen, um die aufgenommene Umgebungswärme hieran zur Gasabkühlungsminderung abzugeben. Daneben können gegebenenfalls auch andere oder weitere Komponenten des CNG-Kraftstoffversorgungssystems infrage kommen, falls dem Effekt der Gasabkühlung erforderlichenfalls lokal entgegenzuwirken ist.
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Während der Transport von Umgebungswärme während der Startphase des Verbrennungsmotors vom Fahrzeugkühler zum Kraftstoffwärmetauscher erfolgt, kann dieser während der sich anschließenden normalen Betriebsphase des Verbrennungsmotors aus dem aufgewärmten großen Kühlkreislauf gespeist werden.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung einer den Stand der Technik reflektierenden Zeichnung in Gegenüberstellung mit einer Zeichnung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 ein Kühlsystem des Standes der Technik für einen herkömmlichen Verbrennungsmotor mit kleinem und großem Kühlkreislauf, und
- 2 ein Kühlsystem gemäß der Erfindung für einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor mit zusätzlichem Kraftstoffkreislauf.
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Nach 1, welche den Stand der Technik wiedergibt, besteht ein gattungsgemäßes Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor 1 eines - nicht weiter dargestellten - Kraftfahrzeuges im Wesentlichen aus einer am Verbrennungsmotor 1 zum Ableiten des durch den Verbrennungsprozess erhitzten Kühlmittels - hier Wasser - angeschlossene Vorlaufleitung 2, welche eingangsseitig in ein Thermostatventil 3 einmündet. Während der Startphase des Verbrennungsmotors 1, in welcher die Kühlmitteltemperatur noch unterhalb von zirka 85°C liegt, leitet das Thermostatventil 3 das Kühlwasser im Rahmen eines kleinen Kühlkreislaufs durch eine Bypassleitung 4 über eine Kühlmittelpumpe 5 zurück zum Verbrennungsmotor 1.
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Schaltet das Thermostatventil 3 oberhalb der Grenztemperatur von zirka 85°C den großen Kühlkreislauf auf, so wird das Kühlmittel über eine Zuführleitung 6 zu einem Fahrzeugkühler 7 geleitet. Der Fahrzeugkühler 7 nutzt die niedrigere Temperatur der Umgebungsluft, um das Kühlmittel herunterzukühlen. Zur Verstärkung der Kühlwirkung ist dem Fahrzeugkühler 7 ein Ventilator 8 zugeordnet, welcher beim Stand der Technik ab Aktivierung des großen Kühlkreislaufs in Betrieb genommen wird.
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Außerdem steht die Vorlaufleitung 2 des Kühlsystems über eine Abzweigleitung 9 mit einem zusätzlichen Heizungswärmetauscher 10 in Verbindung, dessen Abzweigrückleitung 11 in eine dem kleinen und großen Kühlkreislauf gemeinsame Rücklaufleitung 12 zur Kühlmittelpumpe 5 einmündet. Der Heizungswärmetauscher 10 entzieht dem sich von der Startphase bis zur normalen Betriebsphase des Verbrennungsmotors 1 erhitzenden Kühlmittel Wärme zum Heizen des Fahrzeuginnenraums. Hierzu parallel ist ein Kraftstoffwärmetauscher 13' geschaltet, welcher aus derselben Quelle wie der Heizungswärmetauscher 10 Wärme zum Aufheizen von Komponenten eines - nicht weiter dargestellten - CNG/LNG-Kraftstoffzuführsystems zum Verbrennungsmotor 1 entnimmt, um einer Vereisungsgefahr entgegenzuwirken.
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Gemäß 2, welche die erfindungsgemäße Lösung illustriert, ist ein spezieller zusätzlicher Kraftstoffheizkreislauf zum Anschluss des Kraftstoffwärmetauschers 13 geschaffen. Im Folgenden werden lediglich die konstruktiven Unterschiede zu dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik erläutert. Ansonsten gilt für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung dieselbe Beschreibung mit denselben Bezugszeichen der vorstehenden Figurenbeschreibung.
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Durch den erfindungsgemäßen zusätzlichen Kraftstoffheizkreislauf wird während der Startphase des Verbrennungsmotors, in welcher der große Kühlkreislauf stillliegt, durch eine teilweise Nutzung desselben Umgebungswärme zu dem Kraftstoffwärmetauscher 13 transportiert. Zu diesem Zweck ist der Kraftstoffwärmetauscher 13 eingangsseitig über eine Wärmevorlaufleitung 14 mit dem Fahrzeugkühler 7 verbunden. Ausgangsseitig ist der Kraftstoffwärmetauscher 13 über eine Wärmerücklaufleitung 15 am anderen Anschluss des Fahrzeugkühlers 7 angeschlossen. Während der Phase der Umgebungswärmezuführung zum Kraftstoffwärmetauscher 13 strömt das Kühlmittel in umgekehrter Richtung im Vergleich zur Strömungsrichtung des großen Kühlkreislaufs durch den Fahrzeugkühler 7. Diese Fließrichtung wird durch eine in die Wärmerücklaufleitung 15 des zusätzlichen Kraftstoffheizkreislaufs integrierte separate Kühlmittelpumpe 16 erzeugt.
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Zusätzlich ist zwischen der gemeinsamen Rücklaufleitung 12 aller Kühlkreisläufe und der Abführleitung 17 des Fahrzeugkühlers 7 ein Absperrventil 18 angeordnet. Das Absperrventil 18 ist darüber hinaus noch vor dem Abzweig der Bypassleitung 4 in die gemeinsame Rücklaufleitung 12 hierin eingefügt. Das Absperrventil 18 trennt hierdurch den kleinen Kühlkreislauf gegenüber dem großen Kühlkreislauf während der Startphase des Verbrennungsmotors 1, in welchem parallel neben dem thermostatgesteuerten kleinen Kühlkreislauf auch der zusätzliche Kraftstoffheizkreislauf in Betrieb ist. Insoweit verhindert das in dieser Phase abgesperrte Absperrventil 18 eine Verbindung beider Kreisläufe miteinander.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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