DE19925986A1 - Kühlkreislauf zum Kühlen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Ein bekannter Kühlkreislauf zum Kühlen eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem Kühlkanal hat einen Kühler, eine obere Kühlflüssigkeitsleitung und eine untere Kühlflüssigkeitsleitung und in die untere Kühlflüssigkeitsleitung eingebaut eine Pumpe, die von einem Elektromotor mit variabler Drehzahl antreibbar ist in Abhängigkeit von der Temperatur des Verbrennungsmotors, die mittels eines Temperaturfühlers gemessen wird. Wegen des Fehlens eines üblichen thermostatisch gesteuerten Mischventils und eines von dem Mischventil öffenbaren Bypasses um den Kühler ist nicht ausschließbar, daß die Pumpe nachteilig kalte Kühlflüssigkeit in den Verbrennungsmotor pumpt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung (20) derart zu gestalten, daß sie in zwei Förderrichtungen zu pumpen vermag. Ein Steuergerät (10) zum Steuern ist derart eingerichtet, daß bei niedriger Temperatur des Verbrennungsmotors (3) die Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung (20) abwechselnd in zwei Richtungen fördert, so daß nur geringe Kühlflüssigkeitsmengen aus dem Verbrennungsmotor (3) heraus- und hineingepumpt werden. Dies vermeidet während des Erwärmens des Verbrennungsmotors (3) auf Betriebstemperatur eine unnötige Wärmeableitung und sorgt für eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in dem Verbrennungsmotor (3).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Kühlkreislauf nach der Gat­ tung des Patentanspruchs 1.

Durch das Dokument FR 2 519 694 A1 ist gemäß dessen Fig. 4 ein Kühlkreislauf zum Kühlen eines wenigstens einen durch­ strömbaren Kühlkanal aufweisenden Verbrennungsmotors bekannt mit einem Kühlluftstrom aussetzbaren Kühler, mit einer oberen und einer unteren Kühlflüssigkeitsleitung zwischen dem Kühlkanal des Verbrennungsmotors und dem Kühler und mit einer mit der unteren Kühlflüssigkeitsleitung verbundenen Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung. Diese Kühlflüssigkeitspump­ einrichtung besitzt eine erste Pumpe, die von einem Elek­ tromotor mit variabler Drehzahl antreibbar ist. Parallel zu dieser ersten Pumpe geschaltet und dabei diese erste Pumpe zeitweilig unterstützend ist eine zweite Pumpe angeordnet, die unter Zwischenschaltung einer steuerbaren Kupplung von dem Verbrennungsmotor antreibbar ist. Dem Verbrennungsmotor ist ein Temperatursensor zugeordnet, von dessen Anzeige aus­ gehend die Drehzahl des Elektromotors der ersten Pumpe steu­ erbar ist und zusätzlich bedarfsweise die Kupplung aktivier­ bar ist zu dem Zweck, daß auch die zweite Pumpe zum Fördern von Kühlflüssigkeit durch den Kühlkreislauf betreibbar ist.

Wenigstens bei winterlichen tiefen Temperaturen und bei langsamer Fahrt über Schnee oder Glatteis und dabei einem Heizwärmebedarf in einem mit dem Kühlkreislauf ausgerüsteten Fahrzeug ist nicht ausschließbar, daß mittels der ersten Pumpe dem Kühler entnommene und in den Verbrennungsmotor ge­ pumpte Kühlflüssigkeit eine wesentlich unterhalb einer gün­ stigen Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors liegende Temperatur aufweist. Infolge der niedrigen Temperatur der Kühlflüssigkeit beim Eintritt in den Verbrennungsmotor wird Schmieröl relativ zähflüssig sein, was zu erhöhter Verlust­ leistung führt. Auch ist nicht ausschließbar, daß die Tempe­ ratur in einem Zylinderblock des Verbrennungsmotors wesent­ lich unterhalb der Temperatur eines Zylinderkopfes dieses Verbrennungsmotors liegt, was zu einer hohen Beanspruchung bei einer zwischen diesen Bauteilen eingefügten sogenannten Zylinderkopfdichtung führt.

Vorteile der Erfindung

Der Kühlkreislauf zum Kühlen eines Verbrennungsmotors gemäß dem Patentanspruch 1 hat den Vorteil, daß in dem Verbren­ nungsmotor einerseits für geringere Temperaturunterschiede gesorgt wird und andererseits wenigstens während einer Auf­ wärmung des zunächst noch kalten Verbrennungsmotors auf Be­ triebstemperatur der Verbrennungsmotor im Bereich des An­ schlusses der unteren Kühlflüssigkeitsleitung vor Unterküh­ lung bewahrt wird.

Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserun­ gen des im Patentanspruchs 1 angegebenen Kühlkreislaufs mög­ lich.

Die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 2 ergeben den Vorteil, daß allein durch Umschaltung des Elektromotors in zwei entgegengesetzte Drehrichtungen und dabei ohne Zuhil­ fenahme von beispielsweise elektromagnetisch oder elektromo­ torisch steuerbaren Ventilen wechselnde Kreislaufrichtungen erzeugbar sind.

Die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 3 geben ein konkretes Ausführungsbeispiel für die Kühlflüssigkeitspump­ einrichtung an, wobei bekannte und bewährte zuverlässige Bauelemente verwendbar sind.

Die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 4 ergeben eine Verbesserung des Betriebsverhaltens des Kühlkreislaufs. Durch die Verwendung eines oberen Temperatursensors und ei­ nes unteren Temperatursensors ist ein angepaßtes Steuergerät in der Lage, eine Temperaturdifferenz zwischen oben und un­ ten des Verbrennungsmotors auf wenige Grade zu begrenzen. Dies macht ein thermostatisches Mischventil und eine soge­ nannte Bypassleitung zum Kühler entbehrlich. Dadurch fällt auch der von einer durchströmten Bypassleitung ausgehende ausgeprägte Kühleffekt, der bei winterlichen Temperaturen und noch kalter Verbrennungskraftmaschine nachteilig ist, weg.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit ei­ ner in zwei Kreislaufrichtungen pumpenden Pumpe und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit je einer Pumpe für eine jede der Kreislaufrichtungen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das erste Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs 2 gemäß der Fig. 1 umfaßt einen Verbrennungsmotor 3, einen einem Kühlluftstrom aussetzbaren Kühler 4, eine obere Kühlflüssig­ keitsleitung 5, eine untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 und der unteren Kühlflüssigkeitsleitung 6 zugeordnet eine Kühl­ flüssigkeitspumpeinrichtung 7, einen oberen Temperaturfühler 8, einen unteren Temperaturfühler 9 sowie ein an die beiden Temperaturfühler 8 und 9 angeschlossenes Steuergerät 10 zum Betreiben und dabei Steuern der Kühlflüssigkeitspumpeinrich­ tung 7.

Der Verbrennungsmotor 3 hat beispielsweise in an sich be­ kannter Weise einen Motorblock 11 und einen auf diesen auf­ gesetzten Zylinderkopf 12 und weist in dem Motorblock 11 und in dem Zylinderkopf 12 verlaufend wenigstens einen Kühlkanal 13, 14, 15 auf, die oben in einen oberen Sammelkanal 16 mün­ den und unten von einem unteren Sammelkanal 17 ausgehen. Die obere Kühlflüssigkeitsleitung 5 kommuniziert mit dem oberen Sammelkanal 16 und die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 kom­ muniziert mit dem unteren Sammelkanal 17. Der obere Tempera­ turfühler 8 ist dabei entweder in wärmeleitendem Kontakt mit der oberen Kühlflüssigkeitsleitung 5 nahe dem Zylinderkopf 12 oder aber an dem Zylinderkopf 12 befestigt. Sinngemäß ist der untere Temperaturfühler 9 in wärmeleitendem Kontakt mit der unteren Kühlflüssigkeitsleitung 6 nahe dem Motorblock 11 oder aber direkt am Motorblock 11 befestigt. Es steht dem Konstrukteur des Verbrennungsmotors frei, Kühlkanäle in Par­ allelschaltung und dabei im weseätlichen senkrecht anzuord­ nen oder aber Kühlkanäle beispielsweise im wesentlichen waa­ gerecht auszurichten und über Steigleitungen miteinander zu verbinden. Insoweit zeigt die Fig. 1 ein unverbindliches Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors.

Die Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung 7 des ersten Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß der Fig. 1 weist in die untere Kühl­ flüssigkeitsleitung 6 eingefügt als Kühlflüssigkeitspumpein­ richtung eine Pumpe 20 auf, die gemäß den beiden gemäß ISO 1219 angegebenen Dreiecken in entgegengesetzten Kreislauf­ richtungen fördern kann. In der Fig. 1 heißt dies, daß die Pumpe 20 einerseits Kühlflüssigkeit aus dem Kühler 4 entneh­ men und durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 in den unteren Sammelkanal 17 pumpen kann und andererseits diesem unteren Sammelkanal 17 Kühlflüssigkeit entnehmen und in den Kühler 4 pumpen kann. Hierfür ist die Pumpe 20 beispielswei­ se nach Art einer Zahnradpumpe ausgebildet. Bei einer sol­ chen Ausbildung sind von dieser Pumpe 20 erzeugbare Förder­ ströme im wesentlichen linear abhängig von einer Drehzahl, mit der diese Pumpe 20 angetrieben wird. Zum Antreiben der Pumpe 20 besitzt die Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung 7 einen Elektromotor 21. Dieser Elektromotor 21 ist so ausgebildet, daß er in zwei Drehrichtungen betreibbar ist. Dabei steht es dem Konstrukteur frei, auszuwählen zwischen beispielsweise einem Gleichstrommotor mit einem Kommutator und Bürsten oder einem elektronisch kommutierbaren Gleichstrommotor oder aber einem anderen Drehfeldmotor aus dem Stand der Technik. Je nach Art des verwendeten Motors ist das Steuergerät 10 ein­ gerichtet, die Stromrichtung durch die Bürsten eines Kollek­ tormotors zu verändern oder aber die Kommutierung umzuschal­ ten von einem Umlaufsinn eines Drehfeldes in den entgegenge­ setzten Umlaufsinn. Desweiteren ist das Steuergerät 10 auch eingerichtet, die Drehzahl des Elektromotors 21 zu variie­ ren, entweder durch Steuern der Stromstärke oder aber durch Vorgabe der Winkelgeschwindigkeit des Drehfeldes.

Bei Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 3 unterhalb eines Temperaturniveaus, das das Betriebstemperaturniveau ist, wird der Elektromotor 21 periodisch für eine Pumprichtung der Pumpe 20 und dazu abwechselnd für eine zweite Pumprich­ tung der Pumpe 20 eingeschaltet. Das Einschalten erfolgt re­ lativ kurzzeitig, so daß Verschiebungen einer in der unteren Kühlflüssigkeitsleitung 6 enthaltenen Säule aus Kühlflüssig­ keit hinein in den Verbrennungsmotor 3 und heraus aus diesem in Richtung des Kühlers 4 beispielsweise in der Größenord­ nung von dem doppelten des Durchmessers der unteren Kühl­ flüssigkeitsleitung 6 liegen. In der unteren Kühlflüssig­ keitsleitung 6 findet also eine Pendelströmung statt, so daß auch in den Kühlkanälen 13, 14, 15 Pendelströmungen entste­ hen. Erkennbar ist, daß solche Pendelströmungen zur Ver­ gleichmäßigung einer Temperaturverteilung im Verbrennungsmo­ tor 3 führen und andererseits wenig Wärme von allmählich er­ wärmter Kühlflüssigkeit außerhalb des Verbrennungsmotors per Wärmeableitung durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 und die obere Kühlflüssigkeitsleitung 5 an die Umgebungsluft verloren geht. Insoweit ist auch erkennbar, daß wegen des geringen Wärmeverlustes an die Umgebung im Bereich der obe­ ren Kühlflüssigkeitsleitung 5 und der unteren Kühlflüssig­ keitsleitung 6 eine vorteilhafte schnelle Erwärmung des Ver­ brennungsmotors 3 stattfinden kann. Mittels wenigstens eines der beiden Temperaturfühler 8 bzw. 9 ist es dem Steuergerät 10 möglich, den Erwärmungsvorgang zu beobachten und mit ei­ nem dem Steuergerät 10 vorgegebenen Sollwert zu vergleichen. Beim Erreichen eines der Aufwärmphase des Verbrennungsmotors 3 zugeordneten Sollwerts wird das Steuergerät 10 den Elek­ tromotor 21 derart steuern, daß von der Pumpe 20 mehr Kühl­ flüssigkeit durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 in den Verbrennungsmotor 3 gepumpt wird als in einer nachfol­ genden Pumpperiode mittels der Pumpe 20 und dabei durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 hindurch aus dem Verbren­ nungsmotor entnommen wird. Insoweit kommen unterbrochene Teilkreisläufe der Kühlflüssigkeit zustande mit dazwischen stattfindenden Rückströmphasen. Hierbei dient beispielsweise der obere Temperaturfühler 8 der Kontrolle der Kühlflüssig­ keitsternperatur und einer davon abhängigen Steuerung des Elektromotors 21 und der untere Temperaturfühler 9 dient dem Steuergerät 10 dazu, Vorwärts- und Rückwärtsströmungen über den Elektromotor 21 und die Pumpe 20 so zu steuern, daß ein unvorteilhafter Temperaturunterschied zwischen dem Motor­ block 11 und dem Zylinderkopf 12 vermieden wird.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist durch die Ausbildung der Flüssigkeitspumpeinrichtung derart, daß sie in einer ersten Kühlkreislaufrichtung und in einer entgegengesetzten zweiten Kühlkreislaufrichtung zu fördern vermag und daß das Steuer­ gerät 10 das Pumpen in den einander entgegengesetzten Kühl­ kreislaufrichtungen steuert, die Möglichkeit gegeben, auf einen normalerweise zum Kühler parallel geschaltet eingebau­ ten Bypass und ein thermostatisch gesteuertes Mischventil zu verzichten.

Das zweite Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs 2a gemäß der Fig. 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungs­ beispiel gemäß der Fig. 1 dadurch, daß nunmehr eine Kühl­ flüssigkeitspumpeinrichtung 7a zwei als Strömungsmaschinen ausgebildete Pumpen 20a und 20b aufweist. Diese Pumpen 20a und 20b besitzen jeweils ein innerhalb eines Gehäuses 25 drehbares Schaufelrad 26. Die Schaufelräder 26 sind gleichachsig ausgerichtet und die Gehäuse 25 haben voneinan­ der einen Abstand, derart, daß dazwischen ein Elektromotor 21a und zwischen diesem und dem jeweils benachbarten Gehäuse 25 ein Freilauf 27 Platz finden. Solche Freiläufe werden auch je nach ihrer Anwendungsart als Überholkupplungen be­ zeichnet. Die Freiläufe 27 sind an Enden 28 einer Motorwelle 29 angebaut und derart ausgerichtet, daß bei einer Drehrich­ tung der Motorwelle 29 nur einer der beiden Freiläufe als Freilauf wirkt und der andere Freilauf die Wirkung einer nur in einer Richtung wirkenden Kupplung hat. Folglich ist beim Einschalten des Elektromotors 21a in der einen oder der an­ deren Drehrichtung jeweils nur eine der beiden Pumpe 20a bzw. 20b von dem Elektromotor 21a antreibbar. Insoweit ist beispielsweise der Pumpe 20a eine erste Kreislaufrichtung zugeordnet und der Pumpe 20b ist eine zweite, entgegenge­ setzte Kreislaufrichtung zugeordnet. Wiederum ist die Kühl­ flüssigkeitspumpeinrichtung 7a einer unteren Kühlflüssig­ keitsleitung 6 zugeordnet oder in diese eingebaut. Dabei ist die Pumpe 20a dazu bestimmt, Kühlflüssigkeit zu dem Verbren­ nungsmotor 3 zu pumpen und die Pumpe 20b ist dazu bestimmt, Kühlflüssigkeit aus dem Verbrennungsmotor durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 zum Kühler 4 zu pumpen. Erkennbar besteht der Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiels zum ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin, die Pumpe 20 des ersten Ausführungsbeispiels durch eine Anordnung von zwei Pumpen 20a und 20b zu ersetzen. Insoweit ist es nicht not­ wendig, das zweite Ausführungsbeispiel in seiner Gesamtheit darzustellen. Es wird deshalb lediglich noch beschrieben, daß vor einem Einlaufstutzen 30 der jeweiligen der Pumpen 20a und 20b Kühlflüssigkeitsleitungsverzweigungen 31 ange­ ordnet sind. Zwischen diesen Kühlflüssigkeitsverzweigungen 31 und in der beabsichtigten Strömungsrichtung nachgeordnet hin zu den Einlaufstutzen 30 ist jeweils eine Pumpenversor­ gungsleitung 32 eingebaut. Sinngemäß ist ausgangs der Pumpen 20a und 20b eine Austrittsleitung 33 angeordnet.

Im Betrieb des Kühlkreislaufs 2a ist unter Verwendung des Steuergerätes 10 des ersten Ausführungsbeispiels der Elek­ tromotor 21a des zweiten Ausführungsbeispiels ebenfalls in zwei Drehrichtungen einschaltbar, wobei Betrieb in beiden Drehrichtungen, wie bereits beschrieben, periodisch wechseln kann und je nach mittels der Temperatursensoren 8 und 9 ge­ messenen Temperaturunterschieden Perioden, in denen vom Küh­ ler 4 in Richtung zum Verbrennungsmotor 3 durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 gefördert wird, unterschiedlich sind zu denjenigen Perioden, in denen in entgegengesetzter Richtung durch die untere Kühlflüssigkeitsleitung 6 geför­ dert wird.

Auch hier ist vorgesehen, bei noch nicht betriebswarmen Ver­ brennungsmotor Einströmungen durch die untere Kühlflüssig­ keitsleitung 6 und die obere Kühlflüssigkeitsleitung 5 und dem gemäß Pendelströmungen durch den wenigstens einen Kühl­ kanal 13 zu bewirken, so daß fast keine Wärmeableitung durch die Kühlflüssigkeitsleitungen 5 und 6 oder gar den Kühler 4 erfolgt. Erst wenn eine gewollte Temperatur im Betrieb des Verbrennungsmotors 3 erreicht ist, werden die Perioden für die eine Pumprichtung und die andere Pumprichtung so unter­ schiedlich bemessen, daß ein periodisch unterbrochener Kreislauf den Vorwärtsströmungen und Rückwärtsströmungen überlagert ist. Dadurch wird dann vom Verbrennungsmotor 3 wegzuleitende Wärmeenergie dem Kühler 4 zugeführt zur Ablei­ tung an die Umgebungsluft.

In der Fig. 2 sind beide Pumpen 20a und 20b vereinfacht und dabei gleich groß dargestellt. Weil es im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 3, wenn also die Betriebstemperatur er­ reicht ist, überwiegend auf die Förderleistung der Pumpe 20a ankommt, ist diese für die für den Vollastbetrieb des Ver­ brennungsmotors 3 erforderliche Kreislaufleistung auszubil­ den. Weil dagegen die Pumpe 20b lediglich ein Hilfsmittel ist zur Erzeugung von Pendelströmungen, besteht die Möglich­ keit, diese Pumpe 20b für weniger Pumpleistung bzw. einen geringeren Förderstrom und deshalb kleiner auszubilden.

Claims (4)

1. Kühlkreislauf zum Kühlen eines wenigstens einen durch­ strömbaren Kühlkanal aufweisenden Verbrennungsmotor, mit einem Kühlluftstrom aussetzbaren Kühler, mit einer oberen und einer unteren Kühlflüssigkeitsleitung zwischen dem Kühlkanal des Verbrennungsmotors und dem Kühler, mit einer Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung, die mit einer der Kühlflüssigkeitsleitungen verbunden ist und wenigstens eine Pumpe und einen diese Pumpe mit variabler Drehzahl antreibenden Elektromotor aufweist, und mit einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten Temperatursensor zum Steu­ ern des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung (7, 7a) eingerichtet ist zum Pumpen von Kühlflüssigkeit in zwei einander entgegen­ gesetzten Kreislaufrichtungen und daß ein zwischen dem Temperatursensor (8, 9) und dem Elektromotor (21, 21a) der Kühlflüssigkeitspumpeinrichtung (7, 7a) angeordnetes Steuergerät (10) derart eingerichtet ist, daß bei niedri­ ger Temperatur durch periodisches Umschalten die Kühl­ flüssigkeitspumpeinrichtung (7, 7a) abwechselnd in zwei Kreislaufrichtungen fördert und bei Ansteigen der Tempe­ ratur des Verbrennungsmotors (3) die Kühlflüssigkeitspump­ einrichtung (7, 7a) in der einen Kreislaufrichtung je Periode ein größeres Volumen von Kühlflüssigkeit pumpt als in der entgegengesetzten Kühlkreislaufrichtung.

2. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (10) eingerichtet ist zum mittelbaren Umschalten der Kreislaufrichtungen durch abwechselndes Steuern des Elektromotors in zwei Drehrichtungen.

3. Kühlkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (2) zwei nach Art von Kreiselpum­ pen ausgebildete Pumpen (20a, 20b) und zwischen diesen und dem Elektromotor (21a) je einen Freilauf (27) auf­ weist, wobei die Freilaufdrehrichtungen der beiden Frei­ läufe (27) einander entgegengesetzt sind bezüglich des Elektromotors (21a).

4. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (8) bei der oberen Kühlflüssig­ keitsleitung (5) dem Verbrennungsmotor (3) zugeordnet ist und daß ein zweiter Temperaturfühler (9) bei der unteren Kühlflüssigkeitsleitung (6) dem Verbrennungsmotor (3) zu­ geordnet ist und daß das Steuergerät (10), das an beide Temperatursensoren (8, 9) angeschlossen ist, eingerichtet ist, die Umschaltungen in die unterschiedlichen Kreis­ laufrichtungen derart zu steuern, daß eine Begrenzung ei­ nes Unterschiedes zwischen den Temperaturen, die von dem oberen Temperaturfühler (8) und dem unteren Temperatur­ fühler (9) angezeigt werden, stattfindet.