DE19831901A1 - Vorrichtung zum Kühlen eines Motors für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
Vorrichtung zum Kühlen eines Motors für ein KraftfahrzeugInfo
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Abstract
Vorrichtung zum Kühlen eines Motors (10) mit einem in einem großen Kühlkreislauf (12) angeordneten Kühler (14), einem von einem weiteren Motor (16) angetriebenen Kühlergebläse (18), einer ein Kühlmittel befördernden Pumpe (20) und mindestens einem in einem kleinen Kühlkreislauf (22) angeordneten aktiven Element (24), welches das Kühlmittel durch einen Abzweig (26) von dem großen Kühlkreislauf (12) in den kleinen Kühlkreislauf (22) am Kühler (14) vorbei leitet. Es wird vorgeschlagen, daß das mindestens eine aktive Element eine zweite Pumpe (24) ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Mo
tors für ein Kraftfahrzeug nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs.
Kühlmittelkreisläufe heutiger Kraftfahrzeuge sind größten
teils mit einer einzigen mechanisch angetriebenen Wasser
pumpe ausgestattet, die in der Regel über einen Riemen mit
der Verbrennungsmaschine verbunden ist. Diese direkte Kopp
lung der Pumpe an den Motor hat zur Folge, daß die Drehzahl
des Motors den geförderten Kühlmittelvolumenstrom bestimmt
und dadurch die Regelbarkeit des Kühlmittelkreislaufes stark
eingeschränkt ist.
Deshalb müssen Wasserpumpen so dimensioniert werden, daß sie
selbst im niedrigen Drehzahlbereich und bei hoher Motorbela
stung - beispielsweise bei Bergfahrten mit Anhänger - für
eine ausreichende Kühlung sorgen. Der Kühlaufwand im Normal
betrieb ist dann allerdings zu hoch, was zu unnötig hohem
Energieverbrauch führt.
Es ist üblich zur genaueren Regelung des Kühlmittelvolumen
stromes Thermostatventile einzusetzen, über die einzelne
Teilkreisläufe angesteuert werden. Solche Ventile sind je
doch bekannt für hohe Druckverluste, das heißt sie verzehren
einen wesentlichen Teil der von der Wasserpumpe aufgebrach
ten hydraulischen Energie. Dies wirkt sich ebenfalls negativ
auf den Energieverbrauch bzw. den Wirkungsgrad der Verbren
nungsmaschine aus.
Darüberhinaus ist die Regelbarkeit der auf dem Markt erhält
lichen Thermostatventile stark eingeschränkt. Die Regelung
erfolgt ausschließlich über die Temperatur, die Ventile wei
sen eine Hysterese auf und Steuereingriffe aus übergeordne
ten Regelgeräten - wie z. B. einem Motorsteuergerät - sind
kaum bzw. nur kostenintensiv möglich. Die Realisierung eines
elektrisch geregelten Ventils erfordert einen sehr hohen
Aufwand.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß der Energieverlust durch
Ventile, insbesondere Thermostatventile, im Kühlkreislauf
eines Motors minimiert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß
die Aufteilung der Kühlmittelströme in einzelne Teilkreis
läufe nicht über Thermostatventile als aktive Elemente, son
dern über mindestens eine weitere und zusätzlich zu einer
Hauptwasserpumpe betriebenen Pumpe erfolgt.
Der Einsatz solcher Zusatzwasserpumpen ist auch deshalb vor
teilhaft, weil die Hauptwasserpumpe durch die Zusatzwasser
pumpe unterstützt wird, die Hauptwasserpumpe somit mit
kleinerer Leistung betrieben bzw. kleiner dimensioniert
werden kann. Es ist auch möglich mehrere, hinsichtlich ihrer
Leistung ähnliche Pumpen im Kühlmittelkreislauf zu benutzen,
die ihnen speziell zugeordnete Kühlaufgaben wahrnehmen.
Denkbar ist beispielsweise, daß der Zylinderkopf des Motors
separat und regelbar gekühlt wird, oder daß einzelne
Zylinder von jeweils einer Pumpe mit Kühlmittel versorgt
werden. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit verschiedene
Temperaturniveaus in den Zylindern und im Motorblock gezielt
einzustellen.
Durch die Verwendung elektromotorisch betriebener,
unabhängiger und von der Drehzahl des Motors unabhängig
regelbarer Pumpen gewinnt man den überaus großen Vorteil,
daß der Kühlmittelstrom aufgeteilt und die Teilströme je
nach der thermischen Belastung des Motors eingestellt werden
können. Somit läßt sich eine im Vergleich zu konventionellen
Vorrichtungen effizientere und somit auch energiesparendere
Form der Motorkühlung realisieren.
Motorkühlkreisläufe sind in der Regel aus mindestens zwei
Kreisläufen aufgebaut, einem großen Kühlkreislauf, der die
Kühlung des Motors bei Erreichen des normalen Betriebszu
standes übernimmt, und einem kleinen Kühlkreislauf, der in
der Regel während der Warmlaufphase des Motors betrieben
wird und den Kühler umgeht. Nun ist es vorteilhaft, wenn
zwischen dem großen Kühlkreislauf und dem kleinen Kühlkreis
lauf eine zusätzliche Verbindung besteht, die so gestaltet
ist, daß man eine Notlauffunktion erhält. Wenn die das Kühl
mittel befördernde Hauptwasserpumpe ausfällt, dann kann über
diese Verbindung der Kühlmittelstrom mit der zweiten Pumpe
durch den Kühler aufrechterhalten werden. Außerdem ergibt
sich durch diese Verbindung eine zweite Möglichkeit, nämlich
die der Erhöhung der Pumpleistung durch den Kühler - also
der Kühlleistung - bei gleichzeitigem Betrieb beider Pumpen.
Dies kann in kritischen Kühlsituationen bei hoher Motorbela
stung von außerordentlich großem Vorteil sein.
Um die Notlauffunktion im Falle eines Versagens der
Hauptwasserpumpe bzw. ein paralleles Betreiben beider Pumpen
zu aktivieren, ist ein Umschaltventil zur Umschaltung zwi
schen dem kleinen Kühlkreislauf und der Verbindung angeord
net.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn eine einen Wärmetauscher auf
weisende Heizeinheit in den kleinen Kühlkreislauf geschaltet
ist. Dieser Wärmetauscher dient nicht nur allein der Erwär
mung des Fahrzeuginnenraumes, er erfüllt gleichzeitig noch
die Funktion eines weiteren Kühlelementes. Somit erhält man
auch hier bei Ausfall des eigentlichen Kühlers eine Notküh
lung des Motors. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher von ei
nem Bypass umgangen, der von einem Umschaltventil beeinflußt
wird. Auf diese Weise kann während der Warmlaufphase des
Kraftfahrzeugmotors das Kühlmittel an allen Kühleinrichtungen
vorbeigeleitet und schnell auf Betriebstemperatur gebracht
werden.
Die zusätzlichen Umschaltventile im kleinen Kühlkreislauf
sind, was den Energieverlust betrifft - insbesondere gegen
über den bekannten Thermostatventilen - von vernachlässigba
rer Bedeutung, weil durch den kleinen Kühlkreislauf im Nor
malbetrieb ein wesentlich geringerer Kühlmittelstrom geför
dert wird als durch den großen Kühlkreislauf.
Ebenso ist der Einbau einer Rückschlagklappe in den großen
Kühlkreislauf in dieser Hinsicht bedeutungslos, weil dadurch
lediglich sichergestellt wird, daß bei Betrieb des kleinen
Kreislaufes nicht automatisch auch der große Kühlmittel
kreislauf mitbedient wird.
Weitere Vorteile, die sich aus der erfindungsgemäßen Vor
richtung ergeben, sind folgende: Die Nachheizwärme des Mo
tors kann durch die kleinere Zusatzwasserpumpe abgeführt
werden, die im Vergleich zu einem sonst für diese Aufgabe
üblichen Kühlergebläse wesentlich leiser arbeitet. Ebenso
kann ein Nachheizen des Innenraumes durch die Zusatzwasser
pumpe geschehen, was besonders in den Wintermonaten angenehm
und mit riemengetriebenen Pumpen nicht möglich ist. Außerdem
besteht eine erhöhte Flexibilität was den Einbauort der
Hauptwasserpumpe betrifft.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und in der nachfolgen
den Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 den schematischen Aufbau des ersten Ausfüh
rungsbeispiels, Fig. 2 den des zweiten Ausführungsbeispiels
und Fig. 3 den des dritten Ausführungsbeispiels.
Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt
den schematischen Aufbau eines Kühlmittelkreislaufes, der
sich in einen großen Kreislauf 12 und einen kleinen Kreis
lauf 22 unterteilt. Im großen Kreislauf 12 ist ein Motor 10,
der in der Regel ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges
ist, sowie ein Kühler 14 angeordnet. Dieser Kühler 14 wird
durch den Fahrtwind gekühlt. Ein durch einen weiteren Motor
16 - beispielsweise einen Elektromotor - angetriebenes
Kühlergebläse 18 erhöht den Luftdurchsatz um einen vom
Fahrtwind unabhängigen Anteil. Eine Pumpe 20 befördert ein
Kühlmittel im großen Kühlkreislauf 12. Sie ist so in diesen
integriert, daß das vom Motor 10 erwärmte Kühlmittel zur Ab
kühlung durch den Kühler 14 transportiert wird.
Weiterhin ist als aktives Element eine zweite, schwächere
Pumpe 24 vorgesehen, die das Kühlmittel durch einen Abzweig
26 von dem großen Kühlkreislauf 12 in den kleinen Kühlkreis
lauf 22 leitet, so daß der Weg durch den Kühler 14 umgangen
wird. Rückschlagklappen 38, 39 sorgen in jedem Teilkreis da
für, daß das Kühlmittel immer durch den Motor strömt und
nicht etwa durch den anderen Teilkreis zurückströmt.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei für gleiche
Merkmale wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gleiche Be
zugszahlen verwendet wurden. Das zweite Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten darin, daß eine Verbindung
28 zwischen dem großen Kühlkreislauf 12 und dem kleinen
Kühlkreislauf 22 besteht. Diese Verbindung 28 zweigt strom
abwärts der zweiten Pumpe 24 ab und mündet stromaufwärts des
Kühlers 24. Zwischen der Verbindung 28 und dem kleinen Kühl
kreislauf 22 ist zusätzlich ein Umschaltventil 30 geschal
tet.
Mit dem Umschaltventil 30 eröffnen sich zwei mögliche Be
triebszustände der Kühlvorrichtung. Es kann entweder der
kleine Kühlkreislauf 22 geöffnet und somit der Weg über die
Verbindung 28 gesperrt werden - das ist der im Normalbetrieb
übliche Betriebszustand -, oder umgekehrt der Weg durch die
Verbindung 28 geöffnet und der kleine Kühlkreislauf 22 ver
sperrt werden - dann ist die Notlauffunktion bzw. der
parallele Betrieb beider Pumpen zur maximalen Beförderung
des Kühlmittels durch den Kühler 14 in kritischen
Kühlsituationen aktiviert.
In das dritte Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist eine Hei
zeinheit 32 in den kleinen Kühlkreislauf 22 geschaltet.
Diese Heizeinheit 32 besteht aus einem weiteren Umschaltven
til 34, einem Wärmetauscher 36 und einem den Wärmetauscher 36
umgehenden Bypass 40. Im Normalbetrieb ist das Ventil 30
so eingestellt, daß die Verbindung 28 gesperrt ist. Der
Kühlmittelstrom im kleinen Kühlkreislauf 22 fließt dann je
nach Stellung des Umschaltventils 34 entweder durch den Wär
metauscher 36 oder durch den Bypass 40. In der Aufwärmphase
des Motors kann der Kühlmittelstrom mit dem Ventil 34 so ge
schaltet werden, daß das Kühlmittel durch den Bypass 40
fließt und somit einen möglichst kurzen Weg zurücklegt bzw.
möglichst wenig abkühlt. Erst ab einer bestimmten Betrieb
stemperatur wird die Möglichkeit des Abzweigs in den Wärme
tauscher 36 und damit die Möglichkeit der Beheizung des
Fahrgastraumes freigegeben.
Durch eine Taktung des Umschaltventils 34 läßt sich sowohl
der Motor aufwärmen, als auch die Heizleistung dem
Fahrgastinnenraum zuführen.
Durch die regelbare Pumpe 24 läßt sich durch die Einstellung
eines definierten Volumenstromes durch den Wärmetauscher 36
auf einfache Weise die Temperatur des Fahrgastinnenraumes
regeln.
Die Schalt- und Regelvorgänge im Kühlkreislauf werden von
einem nicht dargestellten, übergeordneten Steuergerät er
faßt, dessen Programmierung einen im Hinblick auf die
Kühlung des Motors und dessen Energieverbrauch möglichst
effizienten Betrieb sicherstellt.
Claims (8)
1. Vorrichtung zum Kühlen eines Motors (10) mit einem in ei
nem großen Kühlkreislauf (12) angeordneten Kühler (14), ei
nem von einem weiteren Motor (16) angetriebenen Kühlerge
bläse (18), einer ein Kühlmittel fördernden Pumpe (20) und
mindestens einem in mindestens einem kleinen Kühlkreislauf
(22) angeordneten aktiven Element (24), welches das Kühlmit
tel durch einen Abzweig (26) von dem großen Kühlkreislauf
(12) in den kleinen Kühlkreislauf (22) am Kühler (14) vorbei
leitet, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine ak
tive Element eine zweite Pumpe (24) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Pumpen (20, 24) elektromotorisch betrieben und/oder von
der Drehzahl des Motors (10) unabhängig sowie unabhängig
voneinander regelbar sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Verbindung (28) zwischen dem großen
Kühlkreislauf (12) und dem kleinen Kühlkreislauf (22) be
steht, die stromab- oder stromaufwärts der zweiten Pumpe
(24) abzweigt und stromauf- oder stromabwärts des Kühlers
(14) mündet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Umschaltventil (30) stromabwärts der zweiten Pumpe (24)
zum Umschalten zwischen dem kleinen Kühlkreislauf (22) und
der Verbindung (28) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß in den kleinen Kühlkreislauf (22) eine ei
nen Wärmetauscher (36) aufweisende Heizeinheit (32) geschal
tet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Heizeinheit (32) von einem Bypass (40) umgangen wird,
und daß ein weiteres Umschaltventil (34) den Durchfluß
zwischen Heizeinheit (32) und Bypass (40) beeinflußt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Volumenstrom durch den Wärmetauscher
(36) durch die Pumpe (24) unabhängig von der Pumpe (20) ein
gestellt werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß in den großen Kühlkreislauf (12) und/oder
in den kleinen Kühlkreislauf Rückschlagklappen (38, 39)
geschaltet sind.
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