DE19621674A1 - Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Kühlmittelkreislauf einer BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine mit
einem den Kühlmittelstrom durch einen Kühler steuernden Thermostaten,
dessen Regeltemperatur veränderbar ist, sowie mit einem wahlweise durch
strömbaren Wärmespeicher. Zum bekannten Stand der Technik wird bei
spielshalber auf die EP 0340621 A2 sowie auf die DE 44 09 547 A1 verwie
sen.
Aus der erstgenannten Schrift ist ein Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftma
schine bekannt, in den wahlweise ein Wärmespeicher einbindbar ist. Da wie
üblich der Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine auch zur Beheizung
eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges herangezogen
wird, kann die im Wärmespeicher, insbesondere Latent-Wärmespeicher ge
speicherte Wärmemenge bevorzugt zu einer schnelleren Beheizung des
Fahrzeuges anschließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine ver
wendet werden. Vorteilhafterweise kann hiermit auch das Kühlmittel der
Brennkraftmaschine insgesamt schneller angewärmt werden, so daß die
Brennkraftmaschine schneller ihre Betriebstemperatur erreicht und somit die
Warmlaufphase mit ihren erhöhten Emissionswerten wesentlich verkürzt
werden kann.
Aus der ebenfalls bereits genannten DE 44 09 547 A1 ist ferner ein Kühlmit
telkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch beheizbaren
Thermostatventil bekannt, wobei die Regeltemperatur des Thermostatventi
les durch eine elektrische Beheizung veränderbar ist. Ein derartiges Ther
mostatventil mit veränderbarer Regeltemperatur ermöglicht somit eine soge
nannte Kennfeldkühlung, bei welcher zur Verminderung der Reibleistungs
verluste in der Teillast der Brennkraftmaschine eine hohe Kühlmitteltempera
tur und somit eine hohe Motoröltemperatur eingestellt wird, während in der
Vollast der Brennkraftmaschine, in vollastnahen Bereichen oder beim Be
schleunigen des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges
eine niedrigere Kühlmitteltemperatur angestrebt wird, um auf Grund der
dann günstigeren Klopfgrenze günstigere Zündwinkel fahren zu können.
Bislang existiert keine Brennkraftmaschine, bei der diese beiden Systeme,
nämlich ein wahlweise durchströmbarer Wärmespeicher einerseits und ein
Thermostatventil mit veränderbarer Regeltemperatur andererseits zur An
wendung kommen. Folglich existiert auch keine optimale Regelstrategie
hierfür.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Kühlmittelkreislauf mit diesen
beiden Systemen Maßnahmen aufzuzeigen, die eine optimale Ausnutzung
der jeweiligen systemimmanenten Vorteile ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß im Falle einer gegenüber
der Regeltemperatur des Thermostatventiles niedrigeren Temperatur des
umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher nur dann durchströmt wird,
wenn die Kühlmitteltemperatur unterhalb derjenigen des Wärmespeichers
liegt, und daß im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur höheren Tem
peratur des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher solange durch
strömt wird, als dessen Temperatur nicht oberhalb derjenigen des Kühlmit
tels liegt. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben.
Dabei kann bevorzugt die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels nahe
der Brennkraftmaschine ermittelt werden, während die Temperatur des
Wärmespeichers durch die Kühlmittel-Temperatur im Bereich des Austritts
aus dem Wärmespeicher repräsentiert sein kann.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf den in Fig. 1 prinzipiell dar
gestellten Kühlmittelkreislauf verwiesen, wozu in Fig. 2 verschiedene Pha
sen der sogenannten Kennfeldkühlung, d. h. verschiedene Regeltemperatu
ren des Thermostatventiles über der Zeit dargestellt sind, und wobei Fig. 3
die zu realisierende Schaltlogik für einen erfindungsgemäßen
Kühlmittelkreislauf zeigt.
In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 in seiner Gesamtheit ein Kühlmittelkreis
lauf einer Brennkraftmaschine 2 bezeichnet, der neben einem durch einen
Kühler 3 geführten Zweig auch einen über Heizungswärmetauscher 4 und 5
sowie einen Wärmespeicher 6 führbaren Zweig aufweist. Eine an der Brenn
kraftmaschine 2 angeordnete Pumpe P1 dient wie üblich der hauptsächli
chen Umwälzung des Kühlmittels, während stromauf des Heizungs-Wärme
tauschers 4, 5 eine Hilfspumpe P2 vorgesehen ist.
Ein Thermostatventil 7 steuert wie üblich die Menge des durch den Kühler 3
strömenden Kühlmittelstromes. Dabei ist die Regeltemperatur dieses Ther
mostatventiles veränderbar, so daß sich bei unterschiedlicher Einstellung der
Regeltemperatur dieses Thermostatventiles 7 durch eine dementsprechende
Rückkühlung des Kühlmittels im Kühler 3 die jeweils gewünschte Kühlmittel
temperatur im Bereich der Brennkraftmaschine 2 ergibt.
Im den Heizungswärmetauschern 4, 5 sowie dem Wärmespeicher 6 zuge
ordneten Zweig des Kühlmittelkreislaufes 1 sind ferner drei Schaltventile V1,
V2, V3 sowie zwei Regelventile V4, V5 vorgesehen. Diesbezüglich ist der
Aufbau des Kühlmittelkreislaufes im wesentlichen gleich dem aus der ein
gangs bereits zitierten EP 0340621 A2 bekannten Stand der Technik. Auch
die Funktion der Pumpe P2 ist in dieser genannten Schrift genau erläutert.
Die erfindungsgemäße Schaltstrategie für die Ventile V1 bis V5 wird hier an
späterer Stelle erläutert.
Zunächst sei kurz auf Fig. 2 verwiesen, welche einzelne Phasen einer so
genannten Kennfeldkühlung zeigt. In diesem Diagramm ist über der Zeit (=
Abszisse) die gewünschte Kühlmitteltemperatur (= Ordinate) dargestellt. Zu
nächst befindet sich die Brennkraftmaschine in der sogenannten Warmlauf
phase I, bis eine Kühlmitteltemperatur von beispielsweise 110°C erreicht ist.
Dies stellt dann die sogenannte Warmphase II dar, in welcher - wie unterhalb
der Abszisse angegeben - die Brennkraftmaschine beispielsweise mit Teil
last betrieben werde. Wird später die Brennkraftmaschine mit Vollast oder in
einem (vollastnahen) Bereich, bei dem eine niedrigere Kühlmitteltemperatur
erwünscht ist, betrieben, so soll die Kühlmitteltemperatur in der Brennkraft
maschine auf beispielsweise 85°C abgesenkt werden. Im Rahmen dessen
schließt sich daher an die Warmphase II zunächst eine sogenannte Abkühl
phase III und dann eine sogenannte Kühlphase IV an. Wird zu einem späte
ren Zeitpunkt wieder von Vollast-Betrieb auf Teillast-Betrieb übergegangen,
so soll die Kühlmitteltemperatur wieder auf beispielsweise 110°C angeho
ben werden. Daher folgt auf die Kühlphase IV eine sogenannte Erwär
mungsphase V, an die sich mit Erreichen dieser beispielsweise 110°C wie
der die Warmphase II anschließt.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß diese angegebenen
Werte der Kühlmitteltemperatur jeweils im Bereich oder nahe der Brenn
kraftmaschine 2 gelten, d. h. diese sogenannte Kühlmitteltemperatur kann
beispielsweise beim Eintritt in die Brennkraftmaschine oder beim Austritt aus
derselben ermittelt werden.
Zurückkommend auf Fig. 1 sei noch erläutert, daß die Regelventile V4, V5
dazu dienen, den Durchfluß des Kühlmittels durch die Heizungs-Wärmetau
scher 4, 5 zu steuern und somit die Heizleistung zu bestimmen. Das Schalt
ventil V1 entscheidet darüber, ob dieser entsprechende Zweig des Kühlmit
telkreislaufes 1 überhaupt mit der Brennkraftmaschine 2 verbunden ist, und
die Schaltventile V2, V3 entscheiden darüber, ob bzw. wie der Wärmespei
cher 6 vom im Kreislauf 1 umgewälzten Kühlmittel durchströmt wird. Tat
sächlich soll der Wärmespeicher 6 bei betriebener Brennkraftmaschine 2
nämlich nicht ständig durchströmt werden, sondern nur dann, wenn dies
auch sinnvoll ist.
Ist die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels, d. h. die Kühlmitteltempera
tur niedriger als die Regeltemperatur des Thermostatventiles 7, so soll der
Wärmespeicher 6 nur dann durchströmt werden, wenn die Kühlmitteltempe
ratur unterhalb derjenigen des Wärmespeichers liegt. Dies gilt somit gemäß
Fig. 2 für die Warmlaufphase I sowie für die Erwärmungsphase V. Während
dieser beiden Phasen ist die aktuelle Kühlmitteltemperatur niedriger als die
vom Thermostatventil 7 vorgegebene Regeltemperatur von beispielsweise
110°C. Während dieser beiden Phasen soll somit das Kühlmittel erwärmt
werden, wobei grundsätzlich eine zusätzliche Wärmemenge aus dem Wär
mespeicher 6 entnommen werden kann. Dies ist jedoch nur dann möglich,
wenn die Temperatur des Wärmespeichers 6 über derjenigen des Kühlmit
tels liegt. Um sicherzustellen, daß nur dann Kühlmittel durch den Wärme
speicher 6 hindurchgeführt wird, ist dann das Schaltventil V3 offen zu halten,
während das Schaltventil V2 geschlossen sein kann. Selbstverständlich muß
auch das Schaltventil V1 geöffnet sein, während die Regelventile V4, V5 in
Abhängigkeit von einer Heizungsanforderung geöffnet oder geschlossen
sein können. Diese soeben erläuterte Schaltstrategie ist auch in Fig. 3
dargestellt. Für die Warmlaufphase I sowie für die Erwärmungsphase V ist
hierin angegeben, daß zunächst abgefragt wird, ob die Kühlmitteltemperatur
TMOT kleiner als die Temperatur des Wärmespeichers TLWS ist. Wird diese
Frage mit "JA" beantwortet, so kann wie angegeben eine Entladung des
Wärmespeichers 6 erfolgen, so daß die Ventile V1 bis V5 den in Fig. 3
rechts angegebenen Zustand aufweisen können.
Ist hingegen die Kühlmitteltemperatur TMOT größer als die Temperatur des
Wärmespeichers TLWS, so soll während der Warmlaufphase I sowie wäh
rend der Erwärmungsphase V der Wärmespeicher 6 nicht durchströmt wer
den, da ansonsten eine gewünschte schnelle Erwärmung des Kühlmittels
behindert wird. Tatsächlich würde nämlich bei Durchströmen des Wärme
speichers 6 ein Teil der Wärmemenge des Kühlmittels wieder an den Wär
mespeicher 6 abgegeben und eine gewünschte schnelle Erwärmung des
Kühlmittels somit hinausgezögert. In diesem Falle ist somit der Wärmespei
cher 6 zu sperren, wozu die Ventile V1 bis V5 in den in Fig. 3 unten ange
gebenen Zustand zu bringen sind. Insbesondere sind die Schaltventile V2
und V3 hier zu schließen. Wie Fig. 3 zeigt, wird somit bei der Abfrage in den
Phasen I und V, ob die Kühlmitteltemperatur TMOT kleiner als die Wärme
speichertemperatur TLWS ist, verneinendenfalls, d. h. dem Pfeil "NEIN"
folgend ein Kühlmittelstrom durch den Wärmespeicher 6 verhindert. In ande
ren Worten bedeutet dies, daß im Falle einer gegenüber der Regeltempera
tur des Thermostatventiles 7 niedrigeren Temperatur TMOT des umgewälz
ten Kühlmittels der Wärmespeicher 6 nur dann durchströmt wird, wenn die
Kühlmitteltemperatur TMOT unterhalb der Temperatur TLWS des Wärme
speichers liegt.
Im folgenden wird die sogenannte Warmphase II beschrieben. Hier beträgt
die Kühlmitteltemperatur TMOT beispielsweise 110°C. Dies ist gleichzeitig
die maximal erreichbare Temperatur im Kühlmittelkreislauf, die das Thermo
statventil 7 durch entsprechende Dosierung des den Kühler 3 durchströmen
den Kühlmittelstromes einzustellen vermag. Da somit auch der Wärmespei
cher 6 keine höhere Temperatur erlangen kann, kann in dieser Warmphase
II stets der Wärmespeicher 6 durchströmt und somit beladen werden. Dies
ist abermals Fig. 3 entnehmbar, wonach bei Bejahung der Abfrage
TMOT = 110°C die Ventile V1 bis V5 den rechts angegebenen Zustand an
nehmen sollen, während verneinendenfalls der unten in Fig. 3 angegebene
Zustand eingestellt wird. In anderen Worten bedeutet dies, daß im Falle ei
ner verglichen mit der Regeltemperatur des Thermostatventiles 7 gleichen
Temperatur TMOT des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher 6 so
lange durchströmt wird, als dessen Temperatur TLWS nicht oberhalb derje
nigen des Kühlmittels (= TMOT) liegt.
In der nunmehr erläuterten Abkühlphase III ist es erwünscht, die Kühlmittel
temperatur TMOT möglichst schnell von beispielsweise 110°C auf bei
spielsweise 85°C abzusenken. Diese Abkühlung erfolgt vorrangig durch den
Kühler 3, wobei jedoch eine Wärmeabgabe an den Wärmespeicher 6 unter
stützend herangezogen werden kann, solange dessen Temperatur unterhalb
derjenigen des Kühlmittels liegt. In anderen Worten bedeutet dies, daß abzu
fragen ist, ob die Kühlmitteltemperatur TMOT größer ist als die Temperatur
TLWS des Wärmespeichers. Auch dies ist für die Abkühlphase III in Fig. 3
dargestellt. Wird diese Frage mit "JA" beantwortet, so kann der Wärmespei
cher 6 durchströmt werden, wozu die Ventile V1 bis V5 in den rechts ange
gebenen Zustand gebracht werden können, während dann, wenn diese
Frage mit "NEIN" beantwortet ist, ein Durchfluß durch den Wärmespeicher 6
verhindert werden muß und somit die Ventile V2 und V3 geschlossen bzw.
"zu" sein müssen. Anderenfalls würde nämlich der Wärmespeicher 6 uner
wünschtermaßen durch das demgegenüber kältere Kühlmittel entladen und
gleichzeitig die gewünschte Abkühlung des Kühlmittels behindert.
Die gleichen Überlegungen gelten grundsätzlich auch für die Kühlphase IV.
Auch hier soll der Wärmespeicher 6 nur dann durchströmt werden, wenn er
noch mit Wärme beladen werden kann, keinesfalls jedoch sollte eine Entla
dung des Wärmespeichers 6 in dieser Kühlphase IV erfolgen. Daher werden
die Ventile V1 bis V5 nur dann in den in Fig. 3 rechts angegebenen Zu
stand gebracht, wenn die Temperatur TWLS des Wärmespeichers nicht
oberhalb derjenigen der Kühlmitteltemperatur TMOT liegt.
Die in Fig. 3 ebenfalls noch dargestellte Erwärmungsphase V wurde bereits
oben in Verbindung mit der Warmlaufphase I beschrieben, da die Abfrage
und die Schaltstrategie für die Ventile in diesen beiden Phasen gleich ist.
Die bislang erläuterte Strategie macht eine zentrale elektronische Steuerein
heit erforderlich, die sowohl die Temperatur des Wärmespeichers als auch
die Regeltemperatur des Thermostaten kennt. Bevorzugt erhält diese elek
tronische Steuereinheit diese Daten über einen Karosserie-Datenbus des mit
der Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeuges. Liegt eine derartige
Datenübermittlung nicht vor, so kann die im folgenden erläuterte verein
fachte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufes zum
Einsatz kommen. Demnach kann im Laufe eines Brennkraftmaschinen-Be
triebszyklus nach erstmaligem Erreichen der Warmphase II eine Durchströ
mung des Wärmespeichers 6 im wesentlichen nur bei Vorliegen einer quasi
stationären Kühlmitteltemperatur erfolgen. Der Wärmespeicher 6 wird somit
im wesentlichen nur während der Warmphase II sowie während der Kühl
phase IV durchströmt, wohingegen in der Abkühlphase III sowie in der Er
wärmungsphase V der Wärmespeicher 6 gegen Durchströmen gesperrt ist.
Auch mit dieser vereinfachten Strategie sind die wesentlichen Vorteile der
vorliegenden Erfindung nutzbar, wobei jedoch keine fortlaufende Überwa
chung der Wärmespeicher-Temperatur 6 erforderlich ist. Dabei sollte jedoch
das Erreichen der Warmphase II mit im wesentlichen maximal möglicher
Kühlmitteltemperatur abgewartet werden, ehe in der Abkühlphase III sowie in
der Erwärmungsphase V ein Durchströmen des Wärmespeichers 6 unter
bunden wird, um sicherzustellen, daß bei extremen Betriebsbedingungen der
Brennkraftmaschine überhaupt eine Beladung des Wärmespeichers erfolgen
kann.
Generell kann die Temperatur TWLS des Wärmespeichers in diesem selbst
ermittelt werden, es ist aber auch möglich, diesen Temperaturwert durch die
Kühlmittel-Temperatur im Bereich des Austritts aus dem Wärmespeicher 6
repräsentieren zu lassen. Stets erreicht man mit der angegebenen Schalt
strategie bzw. mit dem angegebenen Kühlmittelkreislauf, daß die systemim
manenten Vorteile sowohl des Wärmespeichers 6 als auch des in seiner
Regeltemperatur veränderbaren Thermostatventiles 7 optimal genutzt wer
den. Stets ergibt sich eine bestmögliche Erwärmung des Kühlmittels, wenn
dieses erwünscht ist, bzw. eine schnellstmögliche Abkühlung desselben, falls
dieses erwünscht ist. Auch ist sichergestellt, daß der Wärmespeicher 6 stets
bestmöglichst beladen wird. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl
von Details durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel ge
staltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Claims (2)
1. Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem den Kühlmittel
strom durch einen Kühler (3) steuernden Thermostatventil (7), dessen
Regeltemperatur veränderbar ist, sowie mit einem wahlweise durchström
baren Wärmespeicher (6),
wobei im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur niedrigeren Tempe
ratur (TMOT) des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher (6) nur
dann durchströmt wird, wenn die Kühlmitteltemperatur (TMOT) unterhalb
derjenigen des Wärmespeichers (TLWS) liegt,
und wobei im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur gleichen oder
höheren Temperatur (TMOT) des umgewälzten Kühlmittels der Wärme
speicher (6) solange durchströmt wird, als dessen Temperatur (TLWS)
nicht oberhalb derjenigen des Kühlmittels liegt.
2. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, wobei im Laufe eines Brennkraftma
schinen-Betriebszyklus nach erstmaligem Erreichen einer Warmphase (II)
mit im wesentlichen maximal möglicher Kühlmitteltemperatur eine Durch
strömung des Wärmespeichers (6) im wesentlichen nur bei Vorliegen
einer quasi-stationären Kühlmitteltemperatur (TMOT) erfolgt.
Priority Applications (1)
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DE19621674A DE19621674C2 (de) | 1996-05-30 | 1996-05-30 | Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine |
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ID=7795663
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