DE10344018A1

DE10344018A1 - Verfahren zum Temperieren eines Verbrennungsmotors und Kühlsystem für einen Verbennungsmotor

Info

Publication number: DE10344018A1
Application number: DE10344018A
Authority: DE
Inventors: Eike Dr. Willers
Original assignee: Behr Thermot Tronik GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2003-09-15
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-09-16
Also published as: DE10344018B4; JP4098765B2; JP2005090508A; US20050229873A1

Abstract

Um bei einem Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs die Phase des Kaltstarts zu verkürzen, wird vorgesehen, dass bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors im Wesentlichen die gesamte Kühlmittelmenge aus einem Kühlmittelkreislauf in einen Heißwasserspeicher 25 gefördert wird, aus dem das Kühlmittel bei einem Start des Verbrennungsmotors wieder in den Kühlmittelkreislauf zurückgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Temperieren eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, dem ein Kühlsystem mit einem Kühlmittelkreislauf für flüssiges Kühlmittel zugeordnet ist, und ein Kühlsystem für den Verbrennungsmotor.

Ein Verbrennungsmotor hat nach einem Kaltstart bis zum Erreichen seiner Betriebstemperatur relativ schlechte Eigenschaften wie das Freisetzen größerer Mengen an Schadstoffen und hohe Reibung und damit verbundenem Verschleiß. Die Mängel eines Kaltstarts können durch eine ausreichende Vorwärmung des Verbrennungsmotors vermieden werden. Die bisher für diesen Zweck vorgeschlagenen Mittel, insbesondere in den Kühlmittelkreislauf eingebaute Latentwärmespeicher oder Heißwasserspeicher haben bisher in die Praxis keinen Eingang gefunden.

Aus der DE 1451890 ist es bekannt, als Heißwasserspeicher einen Ausgleichs- und Entlüftungsbehälter des Kühlmittelkreislaufs vorzusehen, der über eine Mittels eines Absperrorgans absperrbare Beipassleitung mit der Saugseite einer Kühlmittelpumpe verbunden ist. Bei einem Abschalten des Motors wird das Absperrorgan des in dem Kühlkreislauf liegenden Ausgleichsbehälters geschlossen und bei einem Start geöffnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorwärmung eines Verbrennungsmotors bei einem Kaltstart zu ermöglichen, ohne dass die Kühlmittelmenge des Kühlkreislaufs vergrößert werden muss.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors im Wesentlichen die gesamte Kühlmittelmenge aus dem Kühlmittelkreislauf in einen Heißwasserspeicher gefördert wird, aus dem das Kühlmittel bei einem Start des Verbrennungsmotors wieder in den Kühlkreislauf zurückgegeben wird.

Ein derartiger Heißwasserspeicher, der nicht ständig mit Kühlmittel befällt ist, erhöht das Fahrzeuggewicht nicht nennenswert. Da andererseits praktisch die gesamte Kühlmittelmenge in den Heißwasserspeicher gefördert wird, so dass kein heißes Kühlmittel ungenutzt in dem Kühlmittelkreislauf verbleibt, ist die für die Vorwärmung des Verbrennungsmotors nutzbare Wärmemenge sehr hoch.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass in dem Kühlmittelkreislauf ein Wärmetauscher für eine Innenraumheizung und/oder ein Getriebeölwärmetauscher und/oder ein Motorölwärmetauscher vorgesehen sind und dass das Kühlmittel aus diesem gesamten Kühlmittelkreislauf in den Heißwasserspeicher gefördert wird.

Bei einem Kühlsystem für ein Verbrennungsmotor wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Heißwasserspeicher in einer Abzweigung von dem Kühlmittelkreislauf angeordnet ist und ein Volumen aufweist, das wenigstens annähernd dem Volumen des Kühlmittel kreislaufs entspricht, und dass Mittel vorgesehen sind, um bei Abschalten des Verbrennungsmotors das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den Heißwasserspeicher zu fördern und um bei Einschalten des Verbrennungsmotors das Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf zurückzuführen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine einfache Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Kühlmittelsystems und
2 ebenfalls in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Kühlmittelsystem, das in einem Kühlkreislauf noch weitere Wärmetauscher von Hilfseinrichtungen enthält.
Der in 1 dargestellte Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Kühlmittelkühler 11 in einem Kühlkreislauf angeordnet. Eine Kühlmittelpumpe 12 fördert über eine Leitung 13 Kühlmittel zu dem Verbrennungsmotor 10. Das den Verbrennungsmotor 10 verlassende Kühlmittel strömt über eine Leitung 14 zu dem Eintritt des Kühlmittelkühlers 11. Von der Leitung 14 zweigt eine Kurzschlussleitung 15 ab, die zu einem Thermostatventil 16 führt, durch das hindurch das von dem Verbrennungsmotor 10 kommende Kühlmittel über eine Leitung 17 direkt von der Kühlmittelpumpe 12 angesaugt werden kann. Bei kaltem Kühlmittel hält das Thermostatventil 16 die Verbindung zwischen der Kurzschlussleitung 15 und der zur Kühlmittelpumpe 12 führenden Leitung 17 offen, so dass das den Verbrennungsmotor verlassende Kühlmittel direkt wieder dem Verbrennungsmotor 10 zugeführt wird.
An das Thermostatventil 16 ist die Rücklaufleitung 18 angeschlossen, die von dem Kühlmittelkühler 11 kommt. Sobald das über die Kurz schlussleitung 15 zuströmende Kühlmittel eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, beginnt das Thermostatventil 16 die Kurzschlussleitung abzusperren und die Rücklaufleitung 18 zu öffnen, so dass dann mehr und mehr von dem Kühlmittelkühler 11 kommendes Kühlmittel über die Leitung 17 zur Saugseite der Kühlmittelpumpe 12 gelangt. Das Thermostatventil 16 bestimmt die Kühlmittelmengen, die durch die Kurzschlussleitung 15 und die Kühlerrücklaufleitung 18 der Leitung 17 und damit dem Verbrennungsmotor 10 zugeführt werden. Damit wird der Verbrennungsmotor 10 auf eine Betriebstemperatur geregelt.
Von der Motoraustrittsleitung 14 zweigt eine Leitung 19 ab, die zu einem Wärmetauscher 20 führt, der Bestandteil einer Innenraumbeheizung für das Fahrzeug ist. Das aus dem Wärmetauscher 20 abströmende Kühlmittel wird im Bereich einer Mischkammer dem Thermostatventil 16 zugeführt.
An der geodetisch höchsten Stelle dieses Kühlmittelkreislaufes schließt über ein nicht dargestelltes Entlüftungsventil eine Leitung 22 an, die zu einem hochgelegenen Ausgleichsbehälter 23 führt. In der strichpunktiert dargestellten Leitung 22 strömt im wesentlichen Luft oder Dampf. Das sich in dem Ausgleichsbehälter 23 ansammelnde flüssige Kühlmittel wird über eine Leitung 24 in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt. Diese Leitung 24 mündet auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe 12.
In einer Abzweigung von dem geschilderten Kühlmittelkreislauf ist ein Heißwasserspeicher 25 angeordnet, dessen Volumen derart bemessen ist, dass er weitestgehend die gesamte Kühlmittelmenge aufnehmen kann, die in dem Kühlkreislauf vorhanden ist, d.h. in dem Verbrennungsmotor 10, dem Kühlmittelkühler 11, dem Wärmetauscher 20, dem Thermotatventil 16 und den Leitungen 13, 14, 15, 17, 18, 19 und 20. Der Heißwasserspeicher 25 ist über eine Leitung 26 an die Saugseite der Kühlmittelpumpe 12 angeschlossen. In der Leitung 26 sind eine elekt romotorisch angetriebene Pumpe 27 und ein elektrisch schaltbares Ventil 28 angeordnet.
Wenn der Verbrennungsmotor 10 abgeschaltet wird, so wird die Pumpe 27 eingeschaltet, deren Betrieb für eine vorbestimmte Zeitspanne aufrecht erhalten wird. Diese Zeitspanne ist so berechnet, dass in ihr die gesamte Kühlmittelmenge des Kühlmittelkreislaufs angesaugt und zu dem bis dahin leeren, d.h. Luft enthaltenden Heißwasserspeicher 25 gefördert werden kann. Mit dem Einschalten des Elektromotors der Pumpe 27 wird auch das elektrisch betätigbare Ventil 28, das beispielsweise ein Magnetventil ist, geöffnet. Die gesamte Kühlmittelmenge wird in den Heißwasserspeicher 25 gepumpt, d.h. der Kühlmittelkreislauf 11 wird entleert. Die in dem Heißwasserspeicher 25 enthaltene Luft strömt über eine Leitung 29 aus, die an den Ausgleichsbehälter 23 angeschlossen ist. In der Praxis wird es sinnvoll sein, in dieser Leitung 29 ein Absperrventil 30 anzuordnen, das ebenfalls elektrisch schaltbar ist und das mit dem Ventil 28 zusammen geöffnet und geschlossen wird. Während das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf mittels der Pumpe 27 abgepumpt wird, strömt Luft über die Leitung 22 in den Kühlmittelkreislauf nach.
Bei einem Start des Verbrennungsmotors 10 werden die Ventile 28 und 30 geöffnet. Die mit dem Verbrennungsmotor 10 anlaufende Kühlmittelpumpe 12, die eine elektromotorische Pumpe sein kann, jedoch üblicherweise mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 in Antriebsverbindung steht, saugt das Kühlmittel aus dem Heißwasserspeicher 25 an und fördert es in den Verbrennungsmotor 10 und von dort weiter in den Kühlkreislauf zurück. Der Heißwasserspeicher 25 ist an einer Stelle angeordnet, die geodätisch höher als die Kühlmittelpumpe 12 liegt, so dass das Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft zu der Saugseite der Kühlmittelpumpe 12 strömt. Die Ventile 28, 30 schließen, nachdem der Heißwasserspeicher 25 entleert ist.
Zweckmäßigerweise wird ein hochleistungsfähiger Heißwasserspeicher 25 vorgesehen, der möglichst so isoliert ist, dass innerhalb von 24 Stunden nur eine Temperaturabsenkung von etwa 100° Celsius auf 60° Celsius erfolgt.
Da das gesamte heiße Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den Heißwasserspeicher überführt wird, steht zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors 10 eine entsprechend hohe Wärmemenge zur Verfügung. Außerdem wird der Vorteil erreicht, dass auch der Wärmetauscher 20 der Innenraumbeheizung mit warmem Kühlmittel bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 versorgt wird, so dass die Heizung sehr früh anspricht.
In Abwandlung der dargestellten Ausführungsform ist der Heißwasserspeicher zweistufig ausgebildet, d.h. er besitzt zwei Kammern, die über eine umschaltbare Zulaufeinrichtung versorgt werden. In diesem Fall wird in einer ersten Stufe eine Kammer mit der dem Verbrennungsmotor entnommenen Kühlmittelmenge befüllt, wonach umgeschaltet wird und in einer zweiten Stufe die zweite Kammer mit von dem Kühlmittelkühler 11 kommenden Kühlmittel befüllt wird, das üblicherweise kälter ist als das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel. Damit wird verhindert, dass sich die beiden Kühlmittelmengen vermischen, die ein unterschiedliches Temperaturniveau aufweisen.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 besitzt ebenfalls einen Kühlmittelkreislauf mit einem Verbrennungsmotor 10, einem Kühlmittelkühler 11, einer Kühlmittelpumpe 12, einem Thermostatventil 16 und einem Wärmetauscher 20 für die Innenraumheizung eines Fahrzeuges. Zu diesem Kühlkreislauf gehört auch ein Ausgleichsbehälter 23 mit der Entlüftungsleitung 22 und der Rücklaufleitung 24. Der Wärmetauscher 20 der Heizung ist nicht an die Motoraustrittsleitung 14 angeschlossen. Vielmehr wird er über eine gesonderte Leitung 31 mit von dem Verbrennungsmo tor 10 abströmendem Kühlmittel beaufschlagt. In der Leitung von dem Wärmetauscher 20 zu der Mischkammer des Thermostatventils 16 ist ein schaltbares Regelventil 32 angeordnet.
Parallel zu dem Wärmetauscher 20 für die Innenraumbeheizung des Fahrzeuges ist in dem Kühlmittelkreislauf ein Getriebeölwärmetauscher 33 vorgesehen. Dieser Getriebeölwärmetauscher 33 wird von dem Kühlmittel durchströmt sowie von dem Öl eines zu dem Verbrennungsmotor 10 gehörenden Automatikgetriebes 34. Des weiteren ist noch ein Wärmetauscher 35 für das Motorenöl vorgesehen, der ebenfalls von dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors durchströmt wird, sowie von dem Motoröl.
Auch bei dieser Bauart ist ein Heißwasserspeicher 25a vorgesehen, dessen Volumen so ausgelegt ist, dass er die gesamte Kühlmittelmenge aufnehmen kann, die in dem Kühlmittelkreislauf vorhanden ist. Der Heißwasserspeicher 25a ist über eine Leitung 26 an die Saugseite der Kühlmittelpumpe 12 angeschlossen. Die Leitung 26 enthält eine elektromotorisch betreibbare Pumpe 27 und ein elektrisch schaltbares Ventil 28, beispielsweise ein Magnetventil. Der Heißwasserspeicher ist an den Ausgleichsbehälter 23 über eine Leitung 29 und ein schaltbares Ventil 30 angeschlossen.
Zwischen dem Heißwasserspeicher 25a und der Leitung 31, die zu dem Wärmetauscher der Innenraumheizung und dem Wärmetauscher 33 für das Getriebeöl führt, ist eine Leitung 36 angeordnet, die ein weiteres schaltbares Ventil 37 und eine elektromotorisch betreibbare Pumpe 38 enthält. In der Leitung 31 ist ein für ein Zurücklaufen in den Verbrennungsmotor 10 sperrendes, nicht dargestelltes Rückschlagventil vorgesehen.
Die Ansteuerung der Pumpe 27, der Ventile 28, 30, des Ventils 37 und der Pumpe 38 erfolgt über ein Steuergerät 39. Das Steuergerät 39 kann ein speziell für diesen Zweck ausgelegtes Steuergerät für das Speichersystem oder ein Thermomanagement oder das Motorsteuergerät sein. Dieses Steuergerät 39 steuert auch das Regelventil 32 an, das den Zulauf zu dem Wärmetauscher der Innenraumheizung für das Fahrzeug steuert.
Bei einem Stillsetzen des Verbrennungsmotors 10 schaltet das Steuergerät 39 die Pumpe 27 ein und öffnet die Ventile 28 und 30. Das Kühlmittel wird praktisch vollständig in den Heißwasserspeicher 25a gepumpt, wobei der Kühlmittelkreislauf entleert wird. In diesen strömt über die Leitung 22 vom Ausgleichsbehälter 23 her Luft ein. Die in dem Heißwasserspeicher 25a vorhandene Luft strömt über das Ventil 30 und die Leitung 29 in den Ausgleichsbehälter 23.
Beim Einschalten des Verbrennungsmotors kann das Zurückführen des Kühlmittels in den Kühlmittelkreislauf in der bereits anhand von 1 geschilderten Weise erfolgen. Es ist jedoch auch möglich in Stufen vorzugehen und beispielsweise mittels des Steuergeräts 39 zunächst das Ventil 37 zu öffnen und die Pumpe 38 einzuschalten so, dass zunächst heißes Kühlmittel in den Wärmetauscher 20 und den Wärmetauscher 33 gepumpt wird, das von dort den Verbrennungsmotor 10 strömt. Das Ventil 30 ist geöffnet, so dass in den Heißwasserspeicher 25a Luft nachströmen kann. Das Ventil 28 kann später geöffnet werden, so dass es mit einer Verzögerung nach dem Einschalten des Verbrennungsmotors 10 Kühlmittel aus dem Heißwasserspeicher 25a in den Verbrennungsmotor und von dort in den Kühler gepumpt wird.
Um einen Verbrennungsmotor zu temperieren kann zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Verfahren oder anstatt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen werden, dass bei Abschalten des Verbren nungsmotors die gesamte Menge an Motoröl in einen Heißölspeicher gepumpt wird, der bis dahin leer ist, d.h. Luft enthält. Bei einem Start des Verbrennungsmotors wird dann das Motoröl zurück in den entleerten Ölkreislauf gepumpt, d.h. in einen Öl-Kühler und die Ölkühlkanäle. Der Öl-Kühler kann ein mit Luft oder vorzugsweise ein mit der Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors beaufschlagter Wärmetauscher sein. Der Heißölspeicher wird in einer Abzweigung des Ölkreislaufes angeordnet und enthält eine elektromotorisch angetriebene Ölpumpe. Die Abzweigung schließt zweckmäßig auf der Saugseite der zu dem Ölkreislauf gehörenden Ölpumpe an. Der Heißölspeicher wird sinnvoll an einer Stelle angeordnet, die geodätisch höher als die Ölpumpe des Ölkreislaufs ist.

Claims

Verfahren zum Temperieren eines Verbrennungsmotors (10) eines Kraftfahrzeuges, dem ein Kühlsystem mit einem Kühlmittelkreislauf für flüssiges Kühlmittel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors (10) im wesentlichen die gesamte Kühlmittelmenge aus dem Kühlmittelkreislauf in einen bis dahin leeren Heißwasserspeicher (25, 25a) gefördert wird, aus dem das Kühlmittel bei einem Start des Verbrennungsmotors (10) wieder in den Kühlmittelkreislauf zurückgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördern des Kühlmittels in den Heißwasserspeicher (25, 25a) zeitverzögert nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zurückführen des Kühlmittels zu dem Kühlkreislauf zeitverzögert nach dem Starten des Verbrennungsmotors (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreislauf ein Wärmetauscher für eine Innenraumheizung und/oder ein Getriebeölwärmetauscher und/oder ein Motorölwärmetauscher angeordnet sind und dass das Kühlmittel aus dem gesamten Kühlmittelkreislauf in den Heißwasserspeicher (25, 25a) gefördert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel aus dem Heißwasserspeicher (25, 25a) an zwei oder mehreren Stellen gleichzeitig und/oder zeitversetzt zugeführt wird.
Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor (10), das zwischen dem Verbrennungsmotor (10) und einem Kühlmittelkühler (11) einen Kühlmittelkreislauf für flüssiges Kühlmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heißwasserspeicher (25, 25a) in einer Abzweigung von dem Kühlmittelkreislauf angeordnet ist und ein Volumen aufweist , das wenigstens annähernd dem Volumen des Kühlmittelkreislaufs entspricht, und das Mittel (27, 28) vorgesehen sind, um bei Abschalten des Verbrennungsmotors (10) das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den Heißwasserspeicher (25, 25a) zu fördern und Mittel (12, 37, 38) um bei Einschalten des Verbrennungsmotors (10) das Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf zurückzuführen.
Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zu dem Heißwasserspeicher (25, 25a) führenden Leitung (26) eine elektrisch antreibbare Pumpe (27) angeordnet ist.
Kühlsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Heißwasserspeicher (25, 25a) ein elektrisch schaltbares Ventil (28) vorgeschaltet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dem Heißwasserspeicher (25, 25a) führende Leitung (26) auf der Saugseite einer Kühlmittel zum Verbrennungsmotor (10) fördernden Kühlmittelpumpe (12) an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißwasserspeicher (25, 25a) an einem geodätisch höheren Ort als die Kühlpumpe (12) angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißwasserspeicher (25, 25a) und die geodätisch höchste Stelle des Kühlmittelkreislaufs an einen Ausgleichsbehälter (23) angeschlossen sind.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer den Heißwasserspeicher (25, 25a) mit dem Ausgleichsbehälter (23) verbindenden Leitung (29) ein elektrisch schaltbares Ventil (30) angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Heißwasserspeicher (25, 25a) eine oder mehrere Leitungen, die eine elektromotorische Pumpe (38) und ein schaltbares Ventil (27) enthalten, zu einem oder mehreren Wärmetauschern (20, 33) von Hilfseinrichtungen führen.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heißwasserspeicher (25, 25a) mit wenigstens zwei Kammern vorgesehen ist, die wahlweise mit Kühlmittel gefüllt und/oder entleerbar sind.