DE19524424A1 - Kühlmittelkreislauf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Bei heutigen Kühlmittelkreisläufen wird das Kühlmittel durch eine drehzahlsynchron ange­ triebene Wasserpumpe bei Betrieb des Verbrennungsmotors umgewälzt. Dementsprechend ist auch der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor etwa drehzahlsynchron; er beträgt bei einem Vierzylindermotor ca. 20 l/min · 1000 U/min^-1. Diese Kühlmittelmenge ist im wesent­ lichen auf eine ausreichende Kühlung bei betriebswarmen Motor, hohen Außentemperatu­ ren und hoher Last ausgelegt. Bei einem Kaltstart liegt die umgewälzte Kühlmittelmenge deutlich über dem Bedarf, so daß der Warmlauf des Motors durch unnötige Wärmeabfuhr verzögert wird.

Bekannt sind elektrische Wasserpumpen, die entweder als Zusatzpumpen oder bei ent­ sprechender Dimensionierung als alleinige Kühlmittelpumpe dienen. Sie ermöglichen durch einen motordrehzahlentkoppelten Betrieb eine Kennfeldsteuerung des Kühlkreislaufes. Nachteilig sind hierbei die hohen Kosten, verursacht durch die Pumpe und die hohe Bela­ stung des elektrischen Bordnetzes, das hohe Gewicht des erforderlichen Elektromotors und dessen höhere Störanfälligkeit.

Bei einer Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine ist es üblich, mittels eines Thermo­ statventils bei kaltem Motor den Kühler vom Kühlwasserfluß zu sperren und das Kühlwas­ ser nur zwischen einem Heizungswärmetauscher und der Verbrennungskraftmaschine zirkulieren zu lassen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 14 76 358 bekannt. Da hierbei ständig ein verhältnismäßig großer Teil der Kühlflüssigkeit durch die Kühlräume der Brennkraftmaschine zirkuliert, wird in der DE-OS 21 12 909 vorgeschlagen, statt den Kühler vom Kühlmittelstrom abzutrennen, den Kühlmittelstrom mittels einer ther­ mostatisch gesteuerten Kurzschlußleitung der Kühlmittelpumpe weitgehend abzuschaffen. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DT 26 07 342 A bekannt, gemäß der anstelle des Kühlers die Kühlräume der Brennkraftmaschine mittels einer thermostatgesteuerten Kurz­ schlußleitung vom Kühlwasserstrom weitgehend getrennt werden. Nachteilig ist bei den letzteren Ausführungsformen, daß auch ein an geschlossener Heizungskreislauf während der Warmlaufphase des Motors ausfällt. Zudem birgt ein Abtrennen der Motorkühlraume vom Kühlflüssigkeitsstrom die Gefahr, daß bei einer hohen Leistungsanforderung an den Motor unmittelbar nach dem Kaltstart der Thermostat zeitverzögert öffnet. Dies kann zu einem Kochen des Kühlmittels und somit zur Beschädigung des Motors führen. Außerdem wird in der Warmlaufphase das vom Motor bereits erwärmte Wasser stets durch den Kühler geführt und gibt dort einen Teil der aufgenommenen Energie wieder ab.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Flüssigkeitskühlung, die bei geringem Aufwand ein möglichst schnelles Aufheizen der Brennkraftmaschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Flüssigkeitskühlung mit den Merk­ malen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beinhaltet drei unterschiedliche Ausführungsformen, die vorteilhaft miteinan­ der kombinierbar sind. In der ersten Ausführungsform sind zwei Thermostatventile vorge­ sehen, ein erstes um die Kühlräume der Brennkraftmaschine entweder kurzzuschließen oder, besonders vorteilhaft, die Pumpleistung zu den Kühlräumen hin zu reduzieren. Dieses erfolgt vorzugsweise durch einen Kurzschluß der Pumpe mittels des Thermostatventils. Das zweite Thermostatventil dient in üblicher Weise zum Kurzschließen des Kühlers. Hierdurch wird erreicht, daß das in der Warmlaufphase vom Motor erwärmte Wasser (noch) nicht durch den Kühler strömt und entsprechend noch warm über die Pumpe zurück in die Motor­ kühlräume geführt wird. Dies bewirkt ein noch schnelleres Aufheizen der Brennkraftma­ schine, da eine unerwünschte Wärmeabgabe im Kühler zumindest reduziert ist.

Ganz besonders vorteilhaft ist der Kurzschlußkreislauf der Wasserpumpe, da bei diesem Konzept der kompakte, preiswerte, leichte und sichere mechanische Wasserpumpenantrieb fast ohne Modifikationen beibehalten werden kann. Es wird lediglich zusätzlich zwischen Wasserpumpenaustritt und Wasserpumpeneintritt ein Kurzschlußkreislauf vorgesehen, dessen Durchflußmenge über ein vorteilhaft hinter dem Wasserpumpenaustritt angeordne­ tes, vorzugsweise extern angesteuertes Ventil geregelt wird. Dieses Ventil teilt die durch die Wasserpumpe geförderte Kühlmittelmenge auf in einen zum Motor fließenden Kühlmittel­ strom und einen in den Kurzschlußkreislauf fließenden Kühlmittelstrom. Bei entsprechenden Absicherungen kann das Ventil auf einen vollkommen geschlossenen Motorzulauf (Kühlmittel ruht im Motor) ausgelegt sein. Die andere Maximalstellung ist insbesondere ein Abklemmen des Kurzschlußkreislaufes. Vorzugsweise wird die momentane Einstellung des Ventils durch das Temperaturniveau des Kühlmittels im Vorlauf des Kühlkreislaufes be­ stimmt. Besonders vorteilhaft ist hierzu eine Temperaturerfassung in unmittelbarer Nähe eines Kühlflüssigkeitsaustritts aus dem Motor angeordnet. Bei einem Kaltstart wird das Ventil beispielsweise zunächst so eingestellt, daß die durch die Kühlräume des Motors fließende Kühlmittelmenge bei <5 l/min · 1000 U/min^-1 und insbesondere bei <2 l/min · 1000 U/min^-1, aber soweit über Null liegt, daß die geringe Durchflußmenge an dem Temperaturfühler eine sichere Information über das Temperaturniveau des Kühlmittels im Motorblock zuläßt. Liegt diese Temperatur über einer individuell auf den Motortyp abgestimmten Grenze, z. B. 80°C, so wird die Durchflußmenge am Motorzulauf durch Verstellen des Ventils erhöht und korrespondierend die in den Kurzschlußkreislauf fließende Kühlmittelmenge verringert. Das den Kühler kurzschließende Thermostatventil öffnet vorzugsweise später, so daß der Kühler erst bei einer weiteren Erhöhung der Kühlmitteltemperatur, beispielsweise erst ab ca. 90°C, zugeschaltet wird.

Das thermostatisch kontrollierte Ventil an der Pumpe enthält vorteilhaft eine Sicherheits­ vorrichtung, z. B. eine Freigabe des Kurzschlußkreislaufes nur gegen Federdruck, so daß bei einem Systemausfall keine Unterversorgung des Motors mit Kühlwasser eintritt. Hierzu erfolgt die Regelung des Kühlmittelflusses vorzugsweise auf aktivem Wege über ein Steuergerät, das das Ventil insbesondere stufenlos an der Gabelung Motor/Kurzschluß über ein oder vorteilhaft mehrere Eingangsparameter steuert. Das Ventil kann hierbei als Ein- oder Zweiklappenventil ausgebildet sein. Der wichtigste Eingangsparameter für die Ventilsteuerung ist die am Motoraustritt gemessene Kühlmitteltemperatur, für eine gute Betriebssicherheit und einen guten Komfort werden die Gaspedalstellung (Lastindex) und/oder die Stellung des Heizungsreglers als Information über die gewünschte Heizlei­ stung mit zur Steuerung des Ventils herangezogen. Weitere Eingangsgrößen werden weiter unten beschrieben.

In der zweiten Variante ist für einen sicheren Motorbetrieb ein Lastsensor vorgesehen, der vorteilhaft kombiniert mit dem Kühlerkurzschluß zum Einsatz kommt. Der Lastsensor dient der Erfassung einer hohen Leistungsanforderung an den Motor unmittelbar nach dem Kalt­ start und wirkt der Reduzierung des Kühlmittelflusses durch die Motorkühlräume entgegen. Dies hat zur Folge, daß bei einer hohen Last sofort, ggf. über den Kühlerkurzschluß­ thermostaten gesteuert, das Kühlmittel durch den Kühlkreislauf fließt. Da unmittelbar nach dem Kaltstart das System träge auf Zustandsänderung im Motor reagiert, verhindert der Lastsensor ein zeitverzögertes Öffnen des Kühlmittelflusses durch die Motorkühlraume und verhindert ein Kochen des Kühlmittels. Der Lastsensor kann in einer einfachen, aber weitgehend betriebssicheren Ausführungsform allein die Gaspedalstellung als Lastindex erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Abgastemperatur vor und/oder hinter dem Katalysator, und die Fahrgeschwindigkeit erfaßt werden. Auch ein Erfassen des Umge­ bungsluftdrucks ist vorteilhaft, um bei einer Fahrt mit hoher Last in großen geodätischen Höhen eine sichere Motorkühlung zu gewährleisten.

Gemäß der dritten Variante der vorliegenden Erfindung wirkt ein Stellmittel eines Heizungs­ wärmetauschers der Reduzierung des Kühlmitteldurchflusses durch die Motorkühlräume entgegen. Diese, mit den oben beschriebenen Merkmalen kombinierbare Variante ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Motorkühlräume kurz geschlossen werden und/oder wenn eine Heizungsregulierung nicht über den Kühlmittelfluß durch den Heizungswärme­ tauscher, sondern durch eine Steuerung der Luftmengenzufuhr zu dem Heizungswärme­ tauscher erfolgt. Der Abgriff der Flüssigkeitszufuhr zu dem Heizungswärmetauscher erfolgt hierbei vorteilhaft vor einer Drossel (vorteilhaft Thermostatdrossel) die den Kühlmittelzulauf zum Kühler reduziert. Die erfindungsgemäße Kopplung der Heizung mit den Ventilen gewährleistet einen frühzeitigen Eintritt der Heizwirkung, der im allgemeinen einem frühzeitigen Aufheizen des Motors vorzuziehen ist.

Die Erfindung ermöglicht eine Verkürzung der Warmlaufphase und eine Vermeidung der Überkühlung in Warmlaufbetrieb. Hierdurch wird auch eine Verkürzung der Startphase und eine Verbesserung des Emissionsverhaltens erreicht. Je nach Auslegung des Gesamt­ fahrzeuges kann die Übersetzung der Wasserpumpe gegenüber der üblichen Kühlung hochgesetzt werden, da über den Pumpenkurzschluß eine Reduzierung des Kühlmittel­ flusses bei hohen Drehzahlen möglich ist. Hierdurch ist eine Reduzierung der Kühlerfläche sowie auch eine Steigerung der Heizleistung möglich. Die Vorteile der vorliegenden Erfin­ dung ermöglichen gewünschtenfalls eine Verringerung des Aufwandes für die Abgasreini­ gung (Kostenersparnis), ein Kühler-Downsizing (Kosten- und Gewichtsersparnis, aerody­ namische Vorteile) und aufgrund der verbesserten Heizleistung einen verringerten Aufwand für Isoliermaßnahmen des Fahrgastraumes (Kosten- und Gewichtsersparnis).

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen und eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Kühlmittelkreislauf;

Fig. 2 ein stufenlos steuerbares Ventil.

Eine Flüssigkeitskühlung 1 (Fig. 1) einer Brennkraftmaschine 2 weist einen Kühlflüssig­ keitskreislauf 3 auf, der von einer Pumpe 7 umgewälzt wird (geschlossener Kreislauf). Die Pumpe 7 hat einen starren Antrieb 16, der synchron zur Kurbelwellendrehzahl läuft. Der Kühlkreislauf 3 beginnt an einem Kühlflüssigkeitsaustritt 15 eines Kühlraumes 5 des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine 2. In unmittelbarer Nähe zu dem Kühlflüssigkeits­ austritt 15 ist ein Temperaturfühler 8 angeordnet, dessen Signal 18 von einem Steuergerät 19 aufgenommen wird. Nach dem Temperaturfühler 8 verzweigt der Kühlflüssigkeitskreis­ lauf 3 in einen Heizungskreislauf 29 und einen Kühlerkreislauf 20. In dem Heizungskreislauf 29 liegt ein Heizungswärmetauscher 14, der kein Stellglied für den Kühlflüssigkeitsdurchfluß hat, sondern nur über eine (nicht dargestellte) Luftklappensteuerung wirkt. Der Rücklauf vom Heizungswärmetauscher 14 mündet vor der Pumpe 7 in den Kühlflüssigkeitskreislauf 3. Der Kühlerkreislauf 20 führt zu einem Kühler 6, dem ein Kühlerthermostatventil 10 nachgeschaltet ist. Das Kühlerthermostatventil 10 öffnet bei einer niedrigen Kühlmitteltemperatur eine Kühlerkurzschlußleitung 13 in an sich bekannter Weise.

Der Rücklauf nach dem Kühlerthermostatventil 10 ist mit der Pumpe 7 verbunden, der ein steuerbares Ventil 9 nachgeschaltet ist. Das steuerbare Ventil 9 verzweigt die Druckleitung der Pumpe zu einer Pumpenkurzschlußleitung 12 und/oder in einen Kühlraum 4 des Motor­ blocks der Brennkraftmaschine 2. Die Steuerung des steuerbaren Ventils 9 erfolgt über das Steuergerät 19, das außerdem noch Signale von einem Lastsensor 11, von der gewünsch­ ten Heizleistung 21, des Umgebungsluftdrucks 22 und der Abgastemperatur vor dem Katalysator 23 verarbeitet. Das Signal 18 des Temperaturfühlers 8 ist das wichtigste Signal für das Steuergerät.

Der Pumpenkurzschlußkreislauf 12 ist so bemessen, daß 1 l/min · 1000 U/min durch die Kühlräume 4 und 5 der Brennkraftmaschine und durch den Temperaturfühler 8 bei geöffnetem Pumpenkurzschlußkreislauf 12 fließen. Da das Kühlerthermostatventil 10 den Kühler 6 sperrt, fließt diese Kühlflüssigkeitsmenge, abzüglich der durch den Heizungs­ wärmetauscher fließenden Kühlflüssigkeitsmenge, auch durch die Kühlerkurzschlußleitung 13. Wenn die Heizung angestellt wird, empfängt das Steuergerät 19 ein entsprechendes Signal 21. Dies bewirkt eine Verstellung des steuerbaren Ventils 9 dahingehend, daß die Durchflußmenge auf 3 l/min · 1000 U/min^-1 erhöht wird. Bei einem Empfang eines Vollast­ signals über die Leitung 11 und/oder wenn über die Leitung 23 eine hohe Abgastemperatur registriert wird, wird der Durchfluß durch die Motorkühlräume 4 und 5 nochmals erhöht. Sobald der Temperaturfühler 8 eine Temperatur von 80°C erkennt, wird der Pumpenkurz­ schlußkreislauf 12 verschlossen, so daß das Kühlmittel entsprechend der Pumpenförder­ menge durch die Kühlräume 4 und 5 gewälzt wird. Beim Anstieg der Kühlmitteltemperatur auf 90°C öffnet das Kühlerthermostatventil 10 den Kühlerdurchfluß und schließt die Kühlerkurzschlußleitung 13.

Das steuerbare Ventil 9 ist in Fig. 2 als Doppelklappenventil ausgeführt. Eine erste Klappe 24 wird in Ruhestellung von einer Feder 25 in Offenstellung gehalten, so daß die Kühlflüs­ sigkeit von der Wasserpumpe (Pfeil A) zum Kühlraum 4 des Motorblocks (Pfeil B) strömt. Eine zweite Klappe 26 versperrt den Zufluß zur Pumpenkurzschlußleitung 12. Ein Stellglied 27 dient zur Verstellung der Klappen 24 und 26 gegen den Federdruck der Sicherheitsfeder 25. Das Stellglied 27 ist stufenlos verstellbar, so daß je nach Ansteuerung durch das Steuergerät 19 eine Zwischenstellung (Fig. 2b) bis hin zu einer fast vollständigen Kurz­ schlußstellung (Fig. 2c) möglich ist. Um einen Mindestdurchfluß des Kühlmittels durch Kühlräume 4 und 5 der Brennkraftmaschine 2 sicherzustellen, schließt die erste Klappe 24 nicht vollständig 30.

Die Erfindung findet insbesondere in Kraftfahrzeugen und hier besonders in verbrauchs­ optimierten Motoren Anwendung.

Claims (5)

1. Flüssigkeitskühlung einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlflüssigkeitsstrom durch einen Kühlflüssigkeitskreislauf, in dem ein von der Kühlflüssigkeit durchströmter Kühl­ raum der Brennkraftmaschine, ein Kühler für die Kühlflüssigkeit, eine die Kühlflüssigkeit umwälzende Pumpe und ein thermostatisch kontrolliertes Ventil, das bei einer niedrigen Kühlflüssigkeitstemperatur den Kühlflüssigkeitsstrom durch den Kühlraum der Brenn­ kraftmaschine reduziert, zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermosta­ tisch kontrolliertes Kühlerventil (10) vorgesehen ist, das bei einer niedrigen Kühlflüssig­ keitstemperatur den Kühlflüssigkeitsstrom durch den Kühler (6) unterhalb des Wertes des Kühlflüssigkeitsstroms durch den Kühlraum der Brennkraftmaschine reduziert, und/oder daß ein Lastsensor der Brennkraftmaschine vorgesehen ist, der bei einer hohen Last der Brennkraftmaschine der Reduzierung des Kühlflüssigkeitsstroms durch den Kühlraum (4, 5) der Brennkraftmaschine (2) entgegenwirkt, und/oder daß ein mit dem Kühlflüssigkeitskreislauf verbundener Heizungswärmetauscher und ein Stellmittel hierfür vorgesehen sind, das bei einer Inbetriebnahme und/oder Steigerung einer Betriebsamkeit des Heizungswärmetauschers (14) der Reduzierung des Kühlflüssig­ keitsstroms durch den Kühlraum (4, 5) entgegenwirkt.

2. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastsensor eine Gaspedalstellung erfaßt.

3. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühler­ ventil (10) eine Kühlerkurzschlußleitung (13) schaltet.

4. Flüssigkeitskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das thermostatisch kontrollierte Ventil (9) eine Pumpenkurzschlußleitung (12) und/oder eine Kühlraumkurzschlußleitung schaltet.

5. Flüssigkeitskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Kühlflüssigkeitstemperaturerfassung (8) des thermostatisch kontrollierten Kühlerventils (9) in der Nähe eines Kühlflüssigkeitsaustritts (15) aus dem Kühlraum (5) angeordnet ist.