DE19540591C2 - Verfahren zur Regelung der Volumenstromverteilung in einem Kühlmittelkreislauf für Kraftfahrzeuge mit Motor und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Volumenstrom­ verteilung im Kühlmittelkreislauf für Kraftfahrzeuge mit Motor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung nach Anspruch 6 auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Verfahren wurde durch den Stand der Technik nach der DE 41 04 093 A1 bekannt. Der Volumenstrom durch die einzelnen Wärmeübertrager wie Kühler und Heizungswärmeübertrager wird dort durch steuerbare Ventile und eine elektrische Kühlmittelpumpe geregelt. Dieses Verfahren ist infolge der Vielzahl der einzelnen Komponenten einschließlich des elektronischen Schaltgerätes relativ aufwendig.

Bei heutigen Kraftfahrzeugen, insbesondere bei PKW's, soll bereits im unteren Drehzahlbereich genügend Heizleistung für den Fahrgastraum zur Verfügung stehen, d. h. es muß ein hinreichender Volumenstrom an Kühlmittel durch den Heizungszweig und den Heizungswärmeübertrager gefördert werden. Das bedeutet, daß der Durchsatz von Kühlmittel bereits bei niedrigen Motordrehzahlen die Sättigung am Heizungswärmeübertrager erreichen kann und bei steigender Motor- bzw. Pumpendrehzahl ein zu großer Kühlmittelvolumenstrom durch den Heizungszweig gefördert wird, ohne daß dadurch eine höhere Wärmeabgabe erfolgt. Bei hohen Motorbelastungen kann dieser Kühlmitteldurchsatz eventuell am Kühler fehlen, was schlimmstenfalls zur Überhitzung des Motors führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise den Kühlmitteldurchsatz durch die Wärmeübertrager zu regeln.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Anspruch 6 beinhaltet eine zur Lösung der Aufgabe geeignete Vorrichtung. Demzufolge wird der Kühlmitteldurchsatz durch den Kühler oder den Heizungswärmeübertrager in Abhängigkeit vom kühlmittelseitigen Druckabfall geregelt, d. h. letzterer wird als Regelgröße für die Volumenstromverteilung durch den Heizungszweig oder den Kühlungszweig des gesamten Kühlmittelkreislaufes herangezogen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Anspruch 2 kann der gesamte Kühlmittelkreislauf weitere Zweige mit weiteren Wärmeübertragern, z. B. für die Ladeluftkühlung und die Ölkühlung enthalten - auch an diesen Wärmeübertragern kann der Kühlmitteldurchsatz in Abhängigkeit des Druckabfalles gedrosselt werden.

Gemäß Anspruch 3 ist es besonders vorteilhaft, wenn ab Erreichen der kühlmittelseitigen Sättigung des Wärmeübertragers und des dadurch vorbestimmten Druckabfalles am Wärmeübertrager der Kühlmitteldurchsatz gedrosselt und auf einem konstanten Wert gehalten wird. Diese Sättigung am Wärmeübertrager liegt dann vor, wenn die Wärmeübertragung am Wärmeübertrager durch eine weitere Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes nicht oder nur unbedeutend gesteigert werden kann. Mit dieser Sättigung ist ein bestimmter Druckabfall am Wärmeübertrager verbunden, der als Meßgröße und Regelgröße verwendet wird.

Gemäß Anspruch 4 ist es vorteilhaft, den Kühlmitteldurchsatz am Hei­ zungswärmeübertrager zu drosseln. Wenn dort Sättigung vorliegt - dann geht ein größerer Anteil des gesamten, von der Kühlmittelpumpe geförderten Kühlmittelstromes durch den Kühler und kommt somit der Motorkühlung zugute. Besonders vorteilhaft ist diese Regelung bei sogenannten luftgeregelten Kraftfahrzeugheizungen, bei denen die Lufttemperatur durch Luftklappen und Mischung von Warm- und Kaltluft geregelt wird.

Gemäß Anspruch 5 kann der Kühlmitteldurchsatz am Kühler gedrosselt werden. Der verbleibende Volumenstromanteil kommt dann den anderen Zweigen des Kühlmittelkreislaufes zugute.

Gemäß Anspruch 6 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorteilhaft, wobei im Kühlmittelstrom ein vom Druckabfall des Kühlmittels am Wärmeübertrager betätigtes Drosselorgan angeordnet ist, um den Kühlmittelstrom durch den Wärmeübertrager zu regeln. Das Drosselorgan, welches vom Differenzdruck des Kühlmittels beaufschlagt wird, setzt den kühlmittelseitigen Druckabfall an dem betreffenden Wärmeübertrager in eine Stellbewegung eines Stellgliedes direkt um. Insofern erweist sich diese Regelung als besonders vorteilhaft, weil auf elektronische Hilfsmittel verzichtet werden kann.

In vorteilhafter Weiterbildung kann das Drosselorgan gemäß Anspruch 7 direkt im Wärmeübertrager integriert sein. Dieses bringt Montage- und Her­ stellungsvorteile mit sich.

Gemäß Anspruch 8 kann das Drosselorgan zweckmäßigerweise im Bereich einer Trennwand angeordnet sein, die zwischen einer Eintrittskammer und einer Austrittskammer eines Wasserkastens des Heizungswärmeübertragers angeordnet ist. An dieser Stelle ist der Druckabfall zwischen Ein- und Ausgangsseite des Wärmeübertragers wirksam.

Gemäß Anspruch 9 besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß das Drosselorgan eine vom vorlaufseitigen und vom rücklaufseitigen Kühlmitteldruck des Wärmeübertragers beaufschlagte Membran aufweist, die ein den Strömungsquerschnit der Kühlmittelleitung veränderndes Absperrelement betätigt.

In vorteilhafter Weiterbildung gemäß Anspruch 10 verändert das Absperrele­ ment den Strömungsquerschnitt des Austrittsstutzens des Heizungswärme­ übertragers.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den Kühlmittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug, schematisch,

Fig. 2 die Druckverhältnisse am Wärmeübertrager,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Drosselorganes,

Fig. 4 ein Einbaubeispiel für das Drosselorgan im Wärmeüber­ trager,

Fig. 5 ein Diagramm der Volumenströme beim Stand der Technik und

Fig. 6 ein Diagramm der Volumenströme bei gedrosseltem Heizungsvolumenstrom.

Fig. 1 zeigt zunächst in vereinfachter Darstellung den Kühlmittelkreislauf für den Verbrennungsmotor 1. Das Kühlmittel wird über eine vom Verbrennungsmotor 1 angetriebene Kühlmittelpumpe 2 durch den Kreislauf gefördert und tritt an der Stelle 3 in den Kühlmantel des Verbrennungs­ motors 1 ein, umströmt ferner die Wandungen des Zylinderkopfes 4 und tritt an der Stelle 5 in die Motorrücklaufleitung 6 ein, strömt von dort bis zur Verzweigungsstelle 7, wo sich der Kühlmittelkreislauf in den Kühlervorlauf 9 und den Bypass bzw. Kurzschluß 10 verzweigt. Ein Thermostat 8 steuert den Kühlmitteldurchsatz in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur durch den Kühlervorlauf 9 zum Kühler 12 oder durch den Kurzschluß 10. Das aus dem Kühler 12 austretende Kühlmittel strömt durch den Kühlerrücklauf 11 schließlich in den Motorvorlauf 13, 14 vor die Kühlmittelpumpe 2. Zusätzlich zu dem soeben beschriebenen Kühlungszweig 9, 12, 11 ist in diesem Kühlmittelkreislauf ein sogenannter Heizungszweig vorgesehen, der aus den Kühlmittelleitungsabschnitten 15 und 16 und dem Heizungswärmeübertrager 17 besteht. Das Kühlmittel verläßt den Verbrennungsmotor 1 an der Stelle 18 und strömt durch den Heizungsvorlauf 15 in den Heizungswärmeübertrager 17, aus dem es über den Heizungsrücklauf 16 wieder in den Motorvorlauf 14 vor die Kühlmittelpumpe 2 strömt. Der Heizungswärmeübertrager 17 wird also primärseitig vom Kühlmittel durchströmt und sekundärseitig von Luft, die im Heizungswärmeübertrager erwärmt und zur Beheizung in den Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges eintritt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei dieser Kraftfahrzeugheizung um eine luftseitig geregelte Heizung (im Gegensatz zu einer wasserseitig geregelten Heizung), bei welcher die gewünschte Lufttemperatur durch Luftklappen und Mischung von Warm- und Kaltluftströmen erreicht wird - also bei ungeregeltem Kühlmittel-Volumenstrom durch den Hei­ zungswärmeübertrager 17. Die Förderung der Luft durch den Heizungs­ wärmeübertrager ist durch ein Gebläse 19 schematisch angedeutet.

Am Heizungswärmeübertrager 17 ist ein differenzdruckbetätigtes Drosselorgan 20 angeordnet, welches einerseits den Druckabfall zwischen Heizungsvorlauf 15 und Heizungsrücklauf 16 mißt und andererseits in eine Verringerung des Strömungsquerschnittes (Drosselung) mechanisch umsetzt. Dadurch wird der Volumenstrom durch den Heizungswärmeübertrager 17 gedrosselt, wobei diese Drosselung erst dann einsetzt, wenn der Heizungswärmeübertrager 17 seine Sättigung erreicht hat. Dies ist dann der Fall, wenn durch eine weitere Steigerung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Heizungswärmeübertrager 17 keine höhere Wärmeabgabe an die Heizungsluft mehr erfolgt. Infolge der Veränderung des Strömungswiderstandes im Heizungszweig durch diese Drosselung strömt ein größerer Volumenstromanteil des gesamten Kühlmittelstromes nunmehr (bei geöffnetem Thermostat 8) durch den Kühler 12, so daß dort mehr Wärme vom Kühlmittel an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.

Es kann aber auch am oder im Kühler in Abhängigkeit vom Druckabfall am Kühler 12, d. h. der Druckdifferenz zwischen Kühlervorlauf 9 und Kühlerrücklauf 11 ein Drosselorgan 21 vorgesehen sein, welches in gleicher Weise den Strömungsquerschnitt drosselt und somit den Volumenstrom durch den Kühler 12 reduziert bzw. auf einem konstanten Wert hält, wenn die Sättigung des Kühlers erreicht ist.

In Fig. 2 ist das physikalische Grundgeschehen verdeutlicht dargestellt, wobei die entsprechenden Bezugszahlen aus dem Heizungszweig aus Fig. 1 übernommen wurden. Das Kühlmittel strömt über den Heizungsvorlauf 15 in den Heizungswärmeübertrager 17 und über den Heizungsrücklauf 16 hinaus. Im Vorlauf 15 herrscht der Druck p₁ und - bedingt durch den Druckabfall des Kühlmittels im Heizungswärmeübertrager 17 - herrscht im Rücklauf 16 der geringere Druck p₂ - die Druckdifferenz p₁ - p₂ ergibt die Größe Δp, die als Meß- und Stellgröße für die Drosselung herangezogen wird.

In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau eines Drosselorganes, wie es vereinfacht mit der Bezugsziffer 20 in Fig. 1 dargestellt ist, gezeigt. In Fig. 3 ist dieses Drosselorgan 30 als Drosselventil dargestellt, welches ein oberes Gehäuseteil 31 und ein unteres Gehäuseteil 32 aufweist, die zwischen sich eine Membran 33 einspannen. Die Membran 33 bildet mit dem oberen Gehäuseteil 31 eine Druckkammer 34 und mit dem unteren Gehäuseteil 32 eine Druckkammer 35. Die Druckkammer 34 ist über einen Anschluß 36 an den Kühlmitteldruck p₁ im Vorlauf und die Druckkammer 35 über einen An­ schluß 37 mit dem Kühlmitteldruck p₂ im Rücklauf verbunden, so daß an der Membran 33 der Differenzdruck Δp des Kühlmittels zur Wirkung kommt, d. h. eine Auslenkung der Membran bewirkt. Im mittleren Bereich der Membran 33 ist mittels tellerförmiger Befestigungselemente 39, 40 eine Stange 38 befestigt, die an ihrem anderen Ende ein Absperrelement 42 trägt, welches in den Querschnitt der Kühlmittelleitung (Heizungsvorlauf oder Rücklauf 15, 16) hineinragt und somit den Kühlmitteldurchsatz drosselt oder freigibt. Eine Rückstellfeder 41 umgibt die Stange 38 und stützt sich einerseits an der Membran 33 und andererseits am unteren Gehäuseteil 32 ab.

Die Wirkungsweise des Drosselorgans ist folgende: Wenn der Differenzdruck Δp bzw. Druckabfall am Heizungswärmeübertrager 17 hinreichend groß ist, also den vorbestimmten Wert erreicht hat, der der Sättigung entspricht, bewirkt er eine Auslenkung der Membran 33 nach unten, und zwar gegen die Wirkung der Rückstellfeder 41, so daß der Querschnitt des Kühlmittelleitungsabschnittes 15 verengt wird. Wird der Differenzdruck Δp kleiner, stellt die Rückstellfeder 41 die Membran 33 zurück, so daß das Absperrelement 42 aus dem Querschnitt des Kühlmittelleitungsabschnittes 15 herausgezogen wird und diese wieder frei­ gibt. Die Rückstellfeder 41 muß somit an die zu erwartende Druckdifferenz an dem betreffenden Wärmeübertrager angepaßt werden.

Fig. 4 zeigt ein Einbaubeispiel für das Drosselorgan, und zwar in den Heizungswärmeübertrager 17, wie er im Schema der Fig. 1 dargestellt ist. Dieser Wärmeübertrager 17 weist in bekannter Weise ein Rohrbündel 43 auf, durch welches das Kühlmittel strömt. Das Rohrbündel 43 mündet in einen sogenannten Wasserkasten 44, der einen Eintrittsstutzen 45 und einen Austrittsstutzen 46 sowie eine Trennwand 47 aufweist, die den Wasserkasten 44 in eine Eintrittskammer 52 und eine Austrittskammer 53 unterteilt. An der Trennwand 47 ist eine Membran 48 umfangsseitig befe­ stigt, die in ihrer Mitte (in vergleichbarer Weise wie in Fig. 3 dargestellt und beschrieben) eine Stange mit einem Absperrelement 51 trägt. Am Wasserkasten 44 ist ferner eine Federabstützung 50 vorgesehen, an welcher sich eine Druckfeder 49 zur Rückstellung der Membran 48 abstützt. Aus dieser Darstellung wird deutlich, daß an der Membran 48 der Differenzdruck zwischen Eintrittskammer 52 und Austrittskammer 53 wirksam ist und somit eine Auslenkung der Membran nach unten bewirkt, wenn ein hinreichend großes Δp vorhanden ist. Das Absperrelement 51 ist unmittelbar vor dem Austrittsstutzen 46 angeordnet und kontrolliert somit dessen Strömungsquerschnitt, so daß es zu einer Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes kommt.

Fig. 5 und 6 zeigen die Wirkungen des Verfahrens anhand von zwei Diagrammen, in denen der Stand der Technik (Fig. 5) und das neue Verfahren (Fig. 6) gegenübergestellt sind. Fig. 5 zeigt die Volumenströme für Kühler und Heizung und den Gesamtvolumenstrom, der von der Kühlmittelpumpe gefördert wird, aufgetragen über der Pumpendrehzahl: Alle drei Ströme steigen linear an. In Fig. 6 dagegen ist der Volumenstrom für den Heizungszweig bei einer Sättigung von ca. 15 I/min ab ca. 1.500 UpM gedrosselt und konstant, während der Volumenstrom für den Kühler bei 6.500 UpM einen Durchsatz von 150 I/min erreicht - bei der ungeregelten Heizung gemäß Fig. 5 erreicht der Volumenstrom für den Kühler vergleichsweise nur 132 I/min bei 6.500 UpM. Der Vergleich beider Diagramme zeigt den wesentlichen Vorteil des neuen Verfahrens, nämlich die Erhöhung des Volumenstromes durch den Kühler.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung der Volumenstromverteilung in einem Kühlmittelkreislauf für Kraftfahrzeuge mit Motor, wobei der Kühlmittelkreislauf wenigstens aus einem ersten Zweig für die Kühlung des Motors und einem zweiten Zweig für die Heizung des Fahrgastraumes besteht und eine Kühlmittelpumpe, wenigstens einen ersten Wärmeübertrager für die Kühlung (Kühler) und einen zweiten Wärmeübertrager für die Heizung (Heizungswärmeübertrager) umfaßt, wobei der Kühlmitteldurchsatz durch den ersten und/oder den zweiten Wärmeübertrager durch Drosseln des Durchsatzes geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den ersten und/oder den zweiten Wärmeübertrager (12, 17) in Abhän­ gigkeit vom kühlmittelseitigen Druckabfall am Wärmeübertrager (12, 17) geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkreislauf aus wei­ teren Zweigen besteht und weitere Wärmeübertrager umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz durch die weiteren Wärmeübertrager in Abhängigkeit vom kühlmittelseitigen Druckabfall an dem jeweiligen Wärmeübertrager geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ab Erreichen der kühlmittelseitigen Sättigung des Wärmeübertragers (12, 17) und des dadurch vorbestimmten Druckabfalles am Wärmeübertrager (12, 17) der Kühlmitteldurchsatz gedrosselt und auf einem konstanten Wert gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz am Heizungswärmeübertrager (17) gedrosselt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz am Kühler (12) gedrosselt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühl­ mittelstrom ein vom Druckabfall des Kühlmittels am Wärmeübertrager (12, 17) betätigtes Drosselorgan (20; 21; 30, 48, 49, 50, 51) angeordnet ist, um den Kühlmittelstrom durch den Wärmeübertrager (12, 17) zu regeln.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (48, 49, 50, 51) in den Wärmeübertrager (17, 12) in­ tegriert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (48, 49, 50, 51) im Bereich einer Trennwand (47) angeordnet ist, die zwischen einer Eintrittskammer (52) und einer Austrittskammer (53) eines Wasserkastens (44) des Heizungswärme­ übertragers (17) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drosselorgan (20; 21; 30; 48, 49, 50, 51) eine vom vorlaufseitigen und vom rücklaufseitigen Kühlmitteldruck des Wärmeübertragers (17, 20) beaufschlagte Membran (33, 48) aufweist, die ein den Strömungsquerschnitt der Kühlmittelleitung veränderndes Absperrelement (42, 51) betätigt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrelement (51) den Strömungsquerschnitt des Austrittsstutzens (46) des Heizungswärmeübertragers (17) verändert.