DE19849492A1 - Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine ist mit einem Kühler als Wärmetauscher, mit einer Kühlmittelpumpe und mit einem den Kühlkreislauf regelnden Steuerglied versehen. Der Kühlkreislauf weist einen Kühlerkreislauf und einen Kurzschlußkreislauf auf. Das Steuerglied weist ein Stellventil auf, mit je einem Anschluß für den Kühlerkreislauf und den Kurzschlußkreislauf, und einen Sammelanschluß zur Zu- oder Abfuhr des Kühlmittels zu dem Kühlerkreislauf und zu dem Kurzschlußkreislauf bzw. aus dem Kühlerkreislauf und dem Kurzschlußkreislauf. Das Steuerventil ist mit einem Ventilglied versehen, durch das wahlweise eine Sperrstellung für den Kühlerkreislauf und den Kurzschlußkreislauf, eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf oder dem Kurzschlußkreislauf und dem Sammelanschluß oder eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf und dem Kurzschlußkreislauf zu dem Sammelanschluß als Mischbetrieb geschaffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für ei­ nen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Zur Steuerung eines Kühlkreislaufes in einer Brenn­ kraftmaschine werden im Allgemeinen Thermostatventile verwendet, die temperaturabhängig in der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine einen Kurzschlußkreislauf schalten, anschließend bei entsprechender Erwärmung der Brennkraftmaschine in einen Mischbetrieb überge­ hen, wobei das Kühlmittel teilweise noch durch den Kurzschlußkreislauf und teilweise bereits über einen Kühler als Wärmetauscher im Kühlkreislauf geführt wird. Im späteren Normalbetrieb wird das Kühlmittel dann im Allgemeinen vollständig über den Kühler im Kühlkreislauf geführt. Hierzu werden beispielsweise als gattungsgemäße Steuervorrichtung die DE 44 38 552 C1, DE 44 38 237 C1 und DE 42 31 649 C2 genannt.

Die bekannten Thermostatventile reagieren auf Tempera­ turveränderungen jedoch sehr langsam. Darüber hinaus sind sie auf eine Regelgröße, nämlich eine Öff­ nungstemperatur, fixiert und besitzen zudem hohe Druckverluste.

Aus der DE 41 25 366 C1 ist ein 3/2-Wegeventil für Flüssigkeitskreisläufe in Fahrzeugen bekannt, das ei­ nen axialen Zulauf und zwei radiale Abläufe aufweist. Das vorbekannte Ventil wird als Verteilerventil oder Mischventil in einem dem Beheizen von Kraftfahr­ zeugräumen dienenden Flüssigkeitskreislauf und in ei­ nem dem Kühlen vom Kraftfahrzeugräumen dienenden Flüs­ sigkeitskreislauf verwendet. Darüber hinaus ist mit diesem Ventil auch ein Mischbetrieb zwischen Beheizen und Kühlen möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, insbesondere, die mehrere Re­ gelgrößen ermöglicht und schnell und ohne große Druck­ verluste agiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung erlaubt schnel­ le Schaltzeiten und damit ein schnelles Reagieren auf Temperaturschwankungen. Darüber hinaus ist es möglich, daß an dem erfindungsgemäßen Stellventil vom Motor aus kennfeldgesteuert die Regelgrößen des Stellventiles eingestellt werden. Dies kann z. B. auf einfache Weise durch einen elektrischen Antrieb für das Stellventil erfolgen.

Insgesamt gesehen, kann das Stellventil in seiner Be­ triebsweise sehr flexibel gehalten werden, wobei die Durchströmungen optimiert werden und Druckverluste in durchgeschalteten Zuständen auf ein Minimum reduziert werden können.

Ein weiterer sehr wesentlicher Vorteil der erfindungs­ gemäßen Lösung besteht darin, daß durch das Schließen aller Teilkreisläufe bei Kaltstart bzw. im Warmlauf der Brennkraftmaschine eine deutliche Reduzierung von Kaltstartemissionen erreicht werden kann. Durch das vollständige Schließen der Teilkreisläufe wird nicht einmal der Wassermantel der Brennkraftmaschine umge­ wälzt. Auf diese Weise kann sich die Brennkraftmaschi­ ne noch schneller aufheizen und emitiert weniger Kalt­ startemissionen, insbesondere Kohlenwasserstoffe.

Durch die Möglichkeit einer kennfeldgeregelten Kühlung durch eine entsprechende Schaltstellung des Stellven­ tiles, ist für jeden Betriebszustand eine optimale Kühlmitteltemperatur möglich, was ebenfalls zur Scho­ nung der Brennkraftmaschine und zur Kraftstoffeinspa­ rung beiträgt. Gleiches gilt für eine Reduzierung des Druckverlustes im Kühlkreislauf, wodurch die Antriebs­ leistung der Kühlmittelpumpe entsprechend reduziert werden kann, die durch eine Koppelung im Riementrieb den Kraftstoffverbrauch ebenfalls beeinflußt.

Eine weitere Kraftstoffersparnis und damit eine Redu­ zierung von Emissionen wird auch dadurch erreicht, daß es erfindungsgemäß möglich ist, bei sehr geringem Was­ serbedarf und einer entsprechenden Lage des Stellven­ tiles vor der Wasserpumpe durch eine Saugdrosselung die Leistungsaufnahme der Wasserpumpe zusätzlich zu reduzieren.

Das erfindungsgemäße Stellventil kann an einer belie­ bigen Stelle in den Kühlkreislauf eingefügt werden. In vorteilhafter Weise kann man es z. B. in die Kühlmit­ telpumpe, vorzugsweise in den Saugmund der Pumpe oder in den Kühler integrieren. Auch eine Anordnung in oder an dem Steuergehäuse der Brennkraftmaschine ist mög­ lich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Kühlkreislauf mit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung im Kaltstart bzw. Warmlauf, wobei alle Kreisläufe geschlossen sind,

Fig. 2 den Kühlkreislauf nach der Fig. 1, im Warm­ lauf, wobei der Kurzschlußkreislauf voll ge­ öffnet ist,

Fig. 3 den Kühlkreislauf nach der Fig. 1 im Mischbe­ trieb mit einem Kühlmittelfluß durch den Kurz­ schlußkreislauf und den Kühlerkreislauf,

Fig. 4 den Kühlkreislauf nach der Fig. 1 mit voll­ ständig geöffnetem Kühlerkreislauf,

Fig. 5 eine vereinfachte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Stellventiles als Steuerglied in Stellung bei Kaltstart, entsprechend dem Kühl­ kreislauf nach der Fig. 1,

Fig. 6 das Stellventil nach der Fig. 5 in Stellung Warmlauf entsprechend dem Kühlkreislauf nach der Fig. 2,

Fig. 7 das Stellventil nach der Fig. 5 in Stellung Mischbetrieb entsprechend dem Kühlkreislauf nach der Fig. 3, und

Fig. 8 das Stellventil nach der Fig. 5 in Stellung Maximalkühlung entsprechend dem Kreislauf nach der Fig. 4.

Grundsätzlich ist der in den Fig. 1 bis 4 darge­ stellte Kühlkreislauf von bekannter Art, weshalb nach­ folgend nur auf die für die Erfindung wesentlichen Bauteile und Kühlmittelströmungen näher eingegangen wird.

Eine durch einen Kühlkreislauf gekühlte Brennkraftma­ schine 1 ist an einen Kühlerkreislauf 2, in welchem sich ein Kühler 3 als Wärmetauscher befindet, und an einen Kurzschlußkreislauf 4 angeschlossen. An einer Einmündungsstelle des Kurzschlußkreislaufes 4 in den Kühlerkreislauf 2 befindet sich ein Stellventil 5 als Steuerglied zur Aufteilung des Kühlmittelstromes in dem Kühlkreislauf. Zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem Stellventil 5 befindet sich eine Kühlmittel­ pumpe 6, durch die das Kühlmittel umgewälzt wird.

Vom Kühlerkreislauf 2 zweigt ein Heizungskreislauf 7 ab, in welchem sich ein Regelventil 8, eine Heizung 9 und eine Pumpe 10 befindet. Der Heizungskreislauf 7 wird nach dem Stellventil 5 saugseitig der Kühlmittel­ pumpe 6 zugeführt.

Für das Stellventil 5 ist eine Ausgestaltung zu wäh­ len, die vier Stellungen ermöglicht, nämlich eine vollständige Sperrstellung, eine Stellung, in der das Kühlmittel, im Allgemeinen Wasser, ausschließlich über den Kurzschlußkreislauf 4 geführt wird, eine Stellung, in der das Kühlmittel ausschließlich über den Kühler­ kreislauf 2 geführt wird und eine weitere Stellung, in der ein Mischbetrieb, d. h. jeweils eine Teilöffnung des Kurzschlußes 4 und des Kühlerkreislaufes 2 gegeben ist.

Die Fig. 1 zeigt den Kühlkreislauf, in welchem sich das Stellventil 5 in einer Sperrstellung befindet, so daß sowohl der Kurzschlußkreislauf 4 als auch der Küh­ lerkreislauf 2 abgesperrt sind. Damit keine Umwälzung des Kühlmittels im Wassermantel der Brennkraftmaschine 1 stattfindet, ist selbstverständlich in dieser Stel­ lung auch dafür zu sorgen, daß das Regelventil 8 für den Heizungskreislauf 7 ebenfalls geschlossen ist.

In dieser Stellung liegt eine Saugdrosselung an der Kühlmittelpumpe 6 mit einem entsprechend reduzierten Energieverbrauch vor. Hierfür ist lediglich dafür zu sorgen, daß die Kühlmittelpumpe 6 für einen Betrieb in Saugdrosselung ausgeführt ist.

Gemäß Schaltung nach der Fig. 2 befindet sich das Stellventil 5 in einer Position, in der der Kühler­ kreislauf 2 abgesperrt, der Kurzschlußkreislauf 4 je­ doch geöffnet ist.

Gemäß Fig. 3 ist durch eine entsprechende Stellung des Stellventiles 5 ein Mischbetrieb gegeben, wobei eine teilweise Verbindung zu dem Kurzschlußkreislauf 4 und dem Kühlerkreislauf 2 vorhanden ist.

Fig. 4 stellt die Schaltung dar, in der im Normalbe­ trieb eine vollständige Kühlung der Brennkraftmaschine 1 durch einen Kreislauf des Kühlmittels über den Küh­ lerkreislauf 2 erfolgt, wobei der Kurzschlußkreislauf 4 geschlossen ist.

Im Bedarfsfall kann durch eine Schalteinrichtung (nicht dargestellt) auch dafür gesorgt werden, daß der Durchfluß von Kühlmittel durch die Brennkraftmaschine 1 unterbrochen wird.

In den Schaltstellungen nach den Fig. 2 bis 4 kann das Regelventil 8 für eine Heizung des Fahrgastinnen­ raumes des Fahrzeuges teilweise oder auch ganz geöff­ net werden.

Das Stellventil 5 kann auf beliebige Weise, z. B. elek­ tromotorisch, angetrieben werden. Auf diese Weise läßt es sich auch beliebig bezüglich seiner Stellungen steuern. Für einen optimalen Betrieb wird man hierfür eine Regeleinrichtung vorsehen, wobei motorkennfeldge­ steuert die Regelgrößen eingestellt werden.

Um Schäden an der Brennkraftmaschine zu vermeiden, wenn Störungen im Kühlkreislauf auftreten, wie z. B. ein Ausfallen des Antriebes für das Stellventil, der durch einen Ausfall der Stromversorgung verursacht sein könnte, kann in einer derartigen Notsituation eine Freischaltung des Kühlerkreislaufes 2 erfolgen. Dies läßt sich auf einfache Weise z. B. dadurch reali­ sieren, daß durch eine entsprechende Federrückstellung dafür gesorgt wird, daß das Stellventil 5 in diesem Fall in eine Position gebracht wird, in der der Küh­ lerkreislauf 2 automatisch geöffnet wird.

In den Fig. 5 bis 8 ist lediglich beispielsweise eine Ausgestaltung eines Stellventiles 5 prinzipmäßig dargestellt. Wie ersichtlich, ist es derart ausgebil­ det, daß es einen Drehschieber 11 in Form einer Hülse aufweist, der in einem zylinderförmigen Ventilgehäuse 12 um seine Längsachse drehbar angeordnet ist. Der Drehschieber 11 ist mit einem axialen Sammelanschluß 13 auf einer Stirnseite versehen, während er auf der anderen Seite geschlossen und dort mit einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung zu dessen Verschwen­ kung um seine Längsachse versehen ist. Das Ventilge­ häuse 12 ist auf der von der nicht dargestellten An­ triebseinrichtung abgewandten Seite ebenfalls ver­ schlossen.

Der Drehschieber 11 weist in seiner Umfangswand eine Steueröffnung 14 auf. Entsprechend der gewählten Aus­ gestaltung erstreckt sich die Steueröffnung 14 des Drehschiebers 11 über einen Umfangsbereich von mehr als 180°, vorzugsweise ca. 190 bis 200°.

Das Ventilgehäuse 12 besitzt in seiner zylinderförmi­ gen Umfangswand je eine Öffnung für einen Anschluß 15 zu dem Kurzschlußkreislauf 4 und einen Anschluß 16 zu dem Kühlerkreislauf 2. Bei dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel stellen die Anschlüsse 15 und 16 jeweils Zuläufe dar, während der Sammelanschluß 13 den Ablauf zu der Kühlmittelpumpe 6 bildet.

Die Fig. 5 zeigt die Stellung des Drehschiebers 11, in welcher gemäß Fig. 1 sowohl der Kühlerkreislauf 2 als auch der Kurzschlußkreislauf 4 abgeschlossen sind.

Fig. 6 zeigt die Stellung des Drehschiebers 11, in der entsprechend der Schaltung nach der Fig. 2 das Kühl­ mittel in dem Kurzschlußkreislauf 4 zirkuliert. Dabei ist die Position des Drehschiebers 11 so gewählt, daß eine vollständige Öffnung des Anschlusses 15 gegeben ist. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel ist jedoch auch nur eine Teilöffnung mit einem entsprechend ge­ drosselten Umlauf des Kühlmittels durch den Kurz­ schlußkreislauf 4 möglich. Auf diese Weise läßt sich eine sehr feinfühlige Regelung mit einem kontinuierli­ chen Verlauf von einer Sperrstellung gemäß Fig. 5 bis in eine vollständige Offenstellung gemäß Fig. 6 errei­ chen.

Fig. 7 zeigt einen Mischbetrieb mit einem Kühlmittel­ strom sowohl über den Kurzschlußkreislauf 4 als auch über den Kühlerkreislauf 2. Auch hier ist es nicht erforderlich, daß eine gleichmäßige Aufteilung er­ folgt, sondern es sind auch Zwischenstellungen mit unterschiedlichen Strömungsmengen durch den Kühler­ kreislauf 2 und den Kurzschlußkreislauf 4 möglich.

Fig. 8 zeigt einen Kühlkreislauf mit einer nahezu vollständigen alleinigen Strömung über den Kühler­ kreislauf 2. Der Kurzschlußkreislauf 4 ist geschlos­ sen. Auch hier ist ein gedrosselter Betrieb über den Kühlerkreislauf 2 durch eine entsprechende Zwischen­ stellung des Drehschiebers 11 mit einer teilweisen Öffnungsfreigabe des Anschlusses 16 möglich.

Die Ausführungsformen für das Stellventil 5 können sehr flexibel gehalten werden. So sind z. B. Drehschie­ ber 11 mit axialen, halbaxialen und/oder radialen Stutzen bzw. Anschlüssen möglich. Ebenso können statt einem Drehschieber 11 auch andere Steuerglieder ver­ wendet werden.

Auch die dargestellte Lage des Stellventiles 5 auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe 6 stellt nur eine mögli­ che Anordnung dar. So ist z. B. auch eine Anordnung auf der Druckseite der Kühlmittelpumpe 6 zwischen dieser und der Brennkraftmaschine 1 oder auch nach der Brenn­ kraftmaschine möglich. In diesem Falle dient der axia­ le Sammelanschluß 13 als Zufuhr zu dem Stellventil 5 und die Anschlüsse 15 und 16 dienen zur Abfuhr des Kühlmittels zu dem Kühlerkreislauf 2 und dem Kurz­ schlußkreislauf 4.

Claims (9)

1. Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine, mit einem Kühler als Wärmetau­ scher, mit einer Kühlmittelpumpe und mit einem den Kühlkreislauf regelnden Steuerglied, wobei der Kühlkreislauf einen Kühlerkreislauf, der die Brennkraftmaschine, die Kühlmittelpumpe und den Kühler umfaßt, und einen Kurzschlußkreislauf, der die Brennkraftmaschine und die Kühlmittelpumpe um­ faßt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied ein Stellventil (5) aufweist, mit je einem Anschluß (15,16) für den Kühlerkreislauf (2) und den Kurzschlußkreislauf (4), und einen Sammelanschluß (13) zur Zu- oder Abfuhr des Kühl­ mittels zu dem Kühlerkreislauf (2) und dem Kurz­ schlußkreislauf (4) bzw. aus dem Kühlerkreislauf (2) und dem Kurzschlußkreislauf (4), wobei das Stellventil (5) mit einem Ventilglied (11) verse­ hen ist, durch das wahlweise eine Sperrstellung für den Kühlerkreislauf (2) und den Kurzschluß­ kreislauf (4), eine Verbindung zwischen dem Küh­ lerkreislauf (2) oder den Kurzschlußkreislauf (4) und dem Sammelanschluß (13) oder eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf (2) und dem Kurz­ schlußkreislauf (4) zu dem Sammelanschluß (13) als Mischbetrieb geschaffen wird.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (11) elektromotorisch angetrieben ist.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied als Drehschieber (11) ausgebildet ist.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (15, 16) für den Kühlerkreislauf (2) und den Kurzschlußkreislauf (4) in die Umfangswand des Drehschiebers (11) münden, und daß der Sam­ melanschluß (13) axial in dem Drehschieberinneren verläuft.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (15, 16) für den Kühlerkreislauf (2) und den Kurzschlußkreislauf (4) in der Umfangswand die Zuläufe sind und der Sammelanschluß (13) zur zentralen Abfuhr vorgesehen ist.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung zur Unterbrechung des Durchflußes von Kühlmittel durch die Brennkraftma­ schine (1) vorgesehen ist.

7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Drehschieber (11) beide Anschlüsse von Kühlerkreislauf (2) und Kurzschlußkreislauf (4) verschließbar sind.

8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellventil (5) in die Kühlmittelpumpe (6), insbesondere in deren Saugbereich, integriert ist.

9. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellventil (5) mit einem Notschaltglied ver­ sehen ist, durch das es in einer Notsituation, insbesondere bei Ausfall der Stromversorgung der­ art verstellt wird, daß eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf (2) und dem Sammelanschluß (13) gegeben ist.