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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung
des Kühlmittelvolumenstromes
in einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 und 14.
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Bei
der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches treten örtlich im
Brennraum einer Brennkraftmaschine Spitzentemperaturen von mehr
als 2000°C auf.
Um eine thermische Überlastung
der eingesetzten Materialien für
Zylinderkopf, Ventile, Zündkerzen, Einspritzventil,
Zylinder, Kolben, Kolbenringe, Dichtungen usw. zu verhindern, muss
eine Kühlung
erfolgen. Dabei hat sich weitgehend die Zwangsumlaufkühlung mittels
einer Kühlflüssigkeit
durchgesetzt. Dabei sind Zylinder und Zylinderkopf doppelwandig ausgeführt. Der
Zwischenraum ist mit einer Kühlflüssigkeit
gefüllt
und so ausgebildet, dass ein Kühlmittelkreislauf
entsteht. Als Kühlflüssigkeit
dient eine Mischung aus Wasser, Frostschutzmittel und fallspezifischen
Inhibitoren.
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Solche
konventionelle Kühlsysteme
beinhalten in der Regel eine entweder unmittelbar oder mittelbar über ein
bewegliches Zugmittel, z.B. Keilriemen von der Brennkraftmaschine
angetriebene Kühlmittelpumpe
und ein Dehnstoffthermostat. Die Kühlmittelpumpe arbeitet daher
motordrehzahlabhängig und
ist so ausgelegt, dass in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine
ein ausreichender Kühlmittelstrom
zur Verfügung
gestellt wird. Um eine in engen Grenzen konstante Kühlmittel- und damit auch Brennkraftmaschinentemperatur
zu erhalten, wird die Kühlmitteltemperatur
geregelt. Hierzu ist ein temperaturabhängiger Dehnstoffregler vorgesehen,
der ein Ventil betätigt,
das bei sinkender Kühlmitteltemperatur
einen zunehmenden Kühlmittelstrom
am Kühler vorbeiführt. Dehnstoffregler und
Ventil bilden eine bauliche Einheit und werden im allgemeinen als
Kühlerthermostat
bezeichnet.
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Ausgehend
vom kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist das Kühlerthermostat
zunächst
geschlossen und die Kühlmittelzirkulation
findet ausschließlich
in einem Bypasskreislauf der Brennkraftmaschine statt. Dies wird
auch als "kleiner Kühlkreislauf" bezeichnet. Ab einer
bestimmten Kühlmitteltemperatur öffnet das
Kühlerthermostat
und der Kühlmittelstrom
fließt
zum Kühler,
wird dort aufgrund des Fahrtwindes und/oder des Kühlerventilators
abgekühlt
und wieder zur Brennkraftmaschine zurückgeleitet. Dies wird auch
als "großer Kühlkreislauf" bezeichnet.
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In
der
EP 0 688 270 B1 ist
ein Heizkreislaufsystem eines Fahrzeuges beschrieben, das einen Verbrennungsmotor
und ein motorunabhängiges Heizgerät sowie
einen Innenraumwärmetauscher aufweist.
Ferner ist eine Umwälzpumpe
zur Förderung
eines flüssigen
Wärmeträgers vorgesehen
und eine Bypassleitung, die eine Rücklaufleitung zwischen Wärmetauscher
und Verbrennungsmotor mit einer Vorlaufleitung zwischen Verbrennungsmotor und
Wärmetauscher
verbindet. Die Umwälzpumpe ist
derart ausgeführt,
dass sie in ihrer Drehrichtung umsteuerbar ist und je nach Drehrichtung
des Wärmeträgers über zwei
getrennte Austrittsöffnungen entweder
in einen großen
Kreislauf durch die Rücklaufleitung
zum Verbrennungsmotor oder durch die Bypassleitung in einen das
Heizgerät
und den Innenraumwärmetauscher
umfassenden kleinen Kreislauf fördert.
Dadurch wird durch einfache Drehrichtungsumkehr der Umwälzpumpe,
die mittels eines umpolbaren Motors realisiert werden kann, eine
Steuerung verschiedener Kreisläufe
möglich,
ohne zusätzliche mittels
Fremdenergie betriebene Ventile zu benötigen.
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Aus
MTZ Motortechnische Zeitschrift 57 (1996) Heft 7/8, Seiten 424–428 ist
ein kennfeldgesteuertes Temperaturregelsystem für Motorkühlkreisläufe bekannt, bei dem ein elektrisch
regelbares Thermostatventil zum Einsatz gelangt. In Abweichung zu
einem Thermostatventil in der Bauweise eines Kühlmittelthermostateinsatzes
ohne Hilfsenergie wird hierbei das Regel- und Stellelement zusätzlich zu
der Erfassung der aktuellen Kühlmitteltemperatur die
Möglichkeit
der Zuführung
von elektrischer Energie vorgesehen. Diese Energie wird über einen
elektrischen Widerstand in Form von Wärme direkt in die temperaturempfindliche
Dehnstoffmasse eingeleitet. Damit wird für das Regel- und Stellelement
ein höheres
Kühlmitteltemperaturniveau
simuliert, woraus sich ein Temperaturkennfeld erzeugen lässt. Durch entsprechende
Ansteuerung ist es möglich,
jeden Betriebspunkt innerhalb dieses Temperaturfeldes der Kühlmitteltemperatur
zuzuordnen. Dadurch kann ein thermisch optimaler Betriebspunkt der
Brennkraftmaschine eingestellt werden.
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In
der
DE 32 38 919 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine
beschrieben. Dabei wird nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine,
deren Zylinderblock mit Kanälen
für einen Umlauf
von Kühlflüssigkeit
vorgesehen ist, die warme Kühlflüs sigkeit
zu einem isolierten Vorratsbehälter
transportiert. Vor einem erneuten Start der Brennkraftmaschine wird
die gewärmte
Kühlflüssigkeit
vom Vorratsbehälter
wieder zurück
in die Kanäle
des Zylinderblocks geleitet, so dass der Zylinderblock sich vor
dem Start erwärmt.
Dafür ist
eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe
vorgesehen, mit der die Kühlflüssigkeit
aus den Kanälen
des Zylinderblocks zum Vorratsbehälter und wieder zurück gepumpt wird.
Der Vorratsbehälter
ist durch einen hin- und herbewegbaren Kolben in zwei Kammern aufgeteilt,
von denen jede mit einem ihr zugeordneten Ende der Kühlkanäle des Zylinderblocks
durch eine Leitung verbunden ist. Die bezüglich ihrer Pumprichtung elektrisch
umschaltbare Kühlmittelpumpe
ist in eine der Leitungen zwischengebaut.
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Eine
schnelle Erwärmung
einer solchen flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine
kann auch dadurch erreicht werden, dass die Zirkulation des Kühlmittels
im "kleinen Kühlkreislauf" (Bypass) unterbrochen
wird. Dies kann beispielsweise durch ein geeignetes Kühlmittelmischventil
oder bei mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebener Kühlmittelpumpe
durch Vorsehen einer schaltbaren Kupplung erreicht werden. Bei Kühlsystemen
mit einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe kann der Kühlkreislauf
auf einfache Weise durch Abschalten des Elektromotors der Kühlmittelpumpe
unterbrochen werden. Da hierbei das Kühlmittel nicht mehr zirkuliert,
spricht man auch von einem "stehenden
Kühlmittel".
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Das
Problem, das sich bei einem solchen Vorgehen ergibt, liegt darin,
dass Kühlmitteltemperatursensoren
in der Regel außerhalb
der Brennkraftmaschine angeordnet sind und infolgedessen keine verläßliche Signale
mehr über
den thermischen Betriebszustand der Brennkraftmaschine liefern.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass nach Aktivierung der Kühlmittelzirkulation
verhältnismäßig kaltes
Kühlmittel
in die Brennkraftmaschine nachströmt, was im schlimmsten Fall
einen Thermo schock und daraus resultierend eine Bauteilschädigung hervorrufen kann.
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Das
Problem kann beispielsweise dadurch gelöst werden, dass abhängig von
einer Initialkühlmitteltemperatur
lediglich für
eine bestimmte Zeitdauer die Zirkulation des Kühlmittels unterbunden wird. Bei
diesem Verfahren muß jedoch
eine genügend große Sicherheitsspanne
bezüglich
der kritischen Temperatur für
die Brennkraftmaschine eingehalten werden, so dass ein Teil des
Potentials zur Verkürzung
der Aufheizzeit ungenutzt bleibt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Regelung des Kühlmittelvolumenstromes
in einer Brennkraftmaschine anzugeben, mit dem bzw, mit der eine
schnelle und gleichmäßige Erwärmung der
Brennkraftmaschine sichergestellt ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnete
Erfindung gelöst.
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Durch
den Einsatz einer bezüglich
ihrer Pumprichtung umkehrbaren Kühlmittelpumpe,
welche in einem ausgewählten
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine über Signale einer Steuerungseinrichtung
derart angesteuert wird, dass das zwischen Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass
der Brennkraftmaschine befindliche Kühlmittelvolumen alternierend
aus der Brennkraftmaschine heraus- und hineingepumpt wird, kann
eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der
Brennkraftmaschine sichergestellt werden. Dies ist insbesondere
beim Kaltstart und beim Warmlauf der Brennkraftmaschine von Bedeutung.
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Über einen
Temperatursensor am Kühlmittelauslass
kann hierbei der thermische Zustand der Brennkraftmaschine sehr
genau beurteilt werden.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass erwärmtes Kühlmittel nach Verlassen der
Brennkraftmaschine wieder in diese zurückgepumpt wird und damit kaum
Wärme verloren
geht.
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Durch
das Transportieren des Kühlmittels
in der einen und anschließend
in der entgegengesetzten Richtung durch die Brennkraftmaschine,
kommt nach wie vor ein Kühlmittelfluss
zustande. Aufgrund der höheren
Wärmeübergangskoeffizienten
bei strömendem
Kühlmittel
wird dieses schneller erwärmt und
im Anschluß daran
kann Wärme
schneller z.B. mittels Wärmetauscher
an das Schmieröl
der Brennkraftmaschine und/oder den Fahrzeuginnenraum abgegeben
werden.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass in den Randzonen der Brennkraftmaschine,
d.h. am Kühlmitteleinlass
und am Kühlmittelauslass
ein gemäßigteres
Temperaturgefälle
erreicht wird und somit nach Aktivierung der kontinuierlichen Zirkulation
die Gefahr eines Thermoschockes wesentlich herabgesetzt ist.
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Darüber hinaus
ist ein wesentlicher Vorteil darin zu sehen, dass bei längsdurchströmten Brennkraftmaschinen
(Reihenmotoren) ein gleichmäßiges Temperaturniveau
zwischen den Zylindern erreicht werden kann, was bei unidirektionaler
Durchströmung
nicht möglich
ist.
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Besonders
einfach läßt sich
das Verfahren durchführen,
wenn eine elektrisch angetriebene, bezüglich ihrer Pumprichtung umkehrbare
Kühlmittelpumpe
verwendet wird. Die Umsteuerung der Pumprichtung kann dabei in einfacher
Weise durch entsprechende elektrische Ansteuersignale von einer Steuerungseinrichtung
erfolgen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand
eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 in schematischer Darstellung
einen Kühlmittelkreislauf
einer Brennkraftmaschine beim Kaltstart und
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2 in schematischer Darstellung
einen Kühlmittelkreislauf
bei betriebswarmer Brennkraftmaschine.
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Beiden
Figuren ist gemeinsam, dass lediglich die zum Verständnis der
Erfindung nötigen
Komponenten gezeigt sind. Insbesondere sind der zur Erwärmung eines
Fahrzeuginnenraumes dienende Heizungswärmetauscher und der Kühlmittelausgleichsbehälter, sowie
die dazugehörigen
Leitungszweige weggelassen. Der Weg des Kühlmittelvolumenstromes innerhalb
des Kühlmittelkreislaufes
ist jeweils mit Pfeilsymbolen eingezeichnet.
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Gleiche
Komponenten sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen
und werden in der Regel nur einmal erläutert.
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Der
Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine 10 weist eine drehrichtungsumkehrbare
Kühlmittelpumpe 11 auf,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe
ausgestaltet ist. Insbesondere kann beispielsweise auch eine in
der Drehzahl regelbare Radialpumpe verwendet werden. Anstelle des
herkömmlichen
Kühlerthermostates
ist ein elektrisch ansteuerbares Stellglied 12 in Form
eines 3/2 Wege-Proportionalventils vorgesehen. Dieses Stellglied
weist drei Anschlüsse
I, II, III auf, wobei im folgenden die Anschlüsse I und II auch als Eingänge und
der Anschluß III
auch als Ausgang bezeichnet werden. Durch entsprechende Ansteuerung
des Stellgliedes 12 lässt sich
der Kühlmittelvolumenstrom
je nach Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10 aufteilen,
wie später noch
näher erläutert wird.
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Die
Brennkraftmaschine 10 weist einen nicht dargestellten Kühlmantel
um die Zylinder 13 auf und die Kühlmittelpumpe 11 fördert das
Kühlmittel
in den Kühlmantel
um die Zylinder 13, es umspült diese und gelangt über Durchgangsbohrungen
zum Zylinderkopf. Am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 10 ist ein
Kühlmittelauslass 14 vorgesehen,
an dem eine Leitung 15 angeschlossen ist. Die Leitung 15 führt zu einem
nicht näher
bezeichneten Anschluß der
Kühlmittelpumpe 11.
Der weitere Anschluß der
Kühlmittelpumpe 11 führt über eine
Leitung 16 zu einem Kühlmitteleinlass 17 eines
Kühlers 18.
In dem Kühler 18 wird
die in der Brennkraftmaschine 10 entstehende Abwärme über das
Kühlmittel
an die Umgebung abgeführt.
Um auch bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges hohe Kühlleistungen
zu erbringen, ist zusätzlich
mindestens ein elektrisch angetriebener Lüfter 19 vorgesehen.
Das Zuschalten des Lüfters 19 erfolgt
in der Regel temperaturgesteuert oder -geregelt.
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Ein
Kühlmittelauslass 20 des
Kühlers 18 ist über eine
Leitung 21 mit dem Eingang I des Stellgliedes 12 verbunden.
In der Leitung 16, welche die Kühlmittelpumpe 11 mit
dem Kühlmitteleinlass 17 am Kühler 18 verbindet,
ist ein Abzweig für
eine Bypassleitung 22 vorgesehen, die an den Eingang II
des Stellgliedes 12 führt.
Der Ausgang III des Stellgliedes 12 ist über eine
Leitung 23 mit einem motorseitigen Kühlmitteleinlass 24 verbunden.
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Zur
Regelung des Kühlmittelvolumenstromes
durch die Brennkraftmaschine 10 durch entsprechende Ansteuerung
mittels elektrischer Signale ist das Stellglied 12 über eine
Ansteuerleitung 25 mit einer Steuerungseinrichtung 26 verbunden.
Solche elektronischen Steuerungseinrichtungen, die in der Regel
einen oder mehrere Mikroprozessoren, sowie einen Zeitzähler 29 beinhalten
und die neben der Kraftstoffeinspritzung noch eine Vielzahl weiterer Steuer-
und Regelungsaufgaben der Brennkraftmaschine 10 übernehmen,
sind an sich bekannt, so dass im folgenden nur auf den im Zusammenhang mit
der Erfin dung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen
wird.
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Ein
Temperatursensor 27 am motorseitigem Kühlmittelauslass 14 liefert
ein der Temperatur des Kühlmittels
am motorseigen Austritt entsprechendes Signal TKW an die Steuerungseinrichtung 26 zur
bedarfsgerechten Ansteuerung des Stellgliedes 12. Der Steuerungseinrichtung 26 werden
ferner eine Vielzahl mittels entsprechender Sensorik aufgenommene
Eingangssignale, in den Figuren mit dem Bezugszeichen ES bezeichnet,
zugeführt. Über Ausgangssignale
AS werden die einzelnen Aktoren und Komponenten angesteuert, die
zum Betrieb der Brennkraftmaschine 10 notwendig sind.
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Der
elektrische Kühlmittelpumpe 11 und
der Lüfter 19 sind
ebenfalls über
Ansteuerleitungen mit der Steuerungseinrichtung 26 verbunden.
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Desweiteren
ist die Steuerungseinrichtung 26 mit einem Speicher 28 verbunden,
in dem unter anderem vorgegebene Schwellenwerte SW1, SW2 für die Temperatur
des Kühlmittels
gespeichert sind.
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Anhand
der 1 wird nun erläutert, wie beim
Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 der Kühlmittelvolumenstrom
eingestellt wird. Das Signal TKW des Temperatursensors 27 wird
beim Start der Brennkraftmaschine 10 eingelesen und mit
einem vorgegebenen, eine kalte Brennkraftmaschine kennzeichnenden
Schwellenwert SW1, der in dem Speicher 28 abgelegt ist,
verglichen. Liegt der Wert der Kühlmitteltemperatur
unterhalb dieses Schwellenwertes SW1, so wird auf einen Kaltstart
der Brennkraftmaschine geschlossen und das Stellglied 12 über ein
elektrisches Signal von der Steuerungseinrichtung 26 derart
angesteuert, dass eine Fließverbindung
zwischen dem Eingang II und dem Ausgang III des Stellgliedes 12 besteht.
Anschließend
wird die Kühlmittelpumpe 11 kurzzeitig
für eine
Zeitdauer Tvor derart angesteuert, dass
ein Kühlmittelvolumenstrom über die
Leitung 16, der Bypassleitung 22, das Stellventil 12,
die Leitung 23 bis zum Ort des Temperatursensors 27 fließt. Die
Richtung des Kühlmittelvolumenstromes
ist in der 1 mit ausgezogenen
Pfeilsymbolen eingezeichnet. Die Zeitdauer Tvor,
während derer
die Kühlmittelpumpe 11 angesteuert
wird, so dass ein Kühlmittelfluss
bis zum Ort des Temperatursensors 27 stattfindet, wird
experimentell für
die betreffende Brennkraftmaschine 10 ermittelt. Sie ist
im wesentlichen von der konstruktiven Ausgestaltung der Brennkraftmaschine,
insbesondere von der Masse, der Zylinderanzahl und der Bemessung
des Kühlmantels
abhängig.
Diese Zeitdauer Tvor wird von dem Zeitzähler 29 der
Steuerungseinrichtung 26 überwacht und liegt in der Regel
im Sekundenbereich.
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Nach
Ablauf der Zeitdauer Tvor wird die Kühlmittelpumpe 11 wieder
deaktiviert. Das Signal des Temperatursensors 27 wird ständig eingelesen
und mit einem weiteren, eine warme Brennkraftmaschine kennzeichnenden
Schwellenwert SW2 verglichen. Typische Werte hierfür liegen
im Bereich von 80°C–90°C. Auch dieser
Wert ist in dem Speicher 28 abgelegt.
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Liegt
der aktuell erfasste Wert TKW der Kühlmitteltemperatur unterhalb
dieses Schwellenwertes SW2, so wird nach Ablauf einer weiteren Zeitdauer Twait, die ebenfalls experimentell ermittelt
wird, die Kühlmittelpumpe 11 wieder
aktiviert. Die Ansteuerung der Kühlmittelpumpe
erfolgt aber nun so, dass das Kühlmittel
jetzt in umgekehrter Richtung durch die Brennkraftmaschine 10 gefördert wird.
Die Richtung des Kühlmittelvolumenstromes
ist in der 1 mit strichliniert
dargestellten Pfeilsymbolen eingezeichnet. Die Zeitdauer Trück,
während
derer die Kühlmittelpumpe 11 in
der entgegengesetzten Richtung das Kühlmittel 11 pumpt,
ist vorzugsweise identisch der oben genannten Zeitdauer Tvor.
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Diese
beiden Pumpzyklen werden so oft wiederholt, bis das Signal TKW des
Temperatursensors 27 den Schwellenwert SW2 er reicht. Ist
dies der Fall, so wird auf eine betriebswarme Brennkraftmaschine 10 geschlossen
und das Stellglied 12 wird über Signale der Steuerungseinrichtung 26 derart
angesteuert, dass eine Fließverbindung
zwischen dem Eingang I und dem Ausgang III hergestellt wird, wie
es in der 2 dargestellt
ist.
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Die
Kühlmittelpumpe 11 wird
nun so angesteuert, dass ein kontinuierlicher Kühlmittelvolumenstrom in einer
einzigen Richtung von der Kühlmittelpumpe 11, über die
Leitung 16, den Kühler 18,
der Leitung 21, das Stellglied 12 und die Leitung 23 zu der
Brennkraftmaschine 10 und von dort wieder über die
Leitung 15 zurück
zur Kühlmittelpumpe 11 zirkulieren
kann. Dadurch wird im Kühler 18 Wärme abgegeben,
wodurch eine Überhitzung
der Brennkraftmaschine 10 auch bei Volllast vermieden wird.
Die Bypassleitung 22 ist dabei abgeschaltet, d.h. es besteht keine
Verbindung zwischen dem Eingang II und dem Ausgang III des Stellgliedes 12.
Die Richtung des Kühlmittelvolumenstromes
ist in der 2 wieder
mit Pfeilsymbolen eingezeichnet.
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Die
Erfindung wurde an einem Beispiel erläutert, bei dem die Umkehrung
der Pumprichtung der Kühlmittelpumpe
elektrisch erfolgt. Alternativ hierzu ist aber auch die Verwendung
einer von der Brennkraftmaschine mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe
möglich.
Dabei ist mittels mechanischer Komponenten wie beispielsweise Getrieben
und Kupplungen sicherzustellen, dass die Kühlmittelpumpe sowohl von der
Brennkraftmaschine zeitweise abgekoppelt, als auch die Pumprichtung
geändert
werden kann.