DE3620288A1

DE3620288A1 - Kuehlmittelsystem und verfahren zu dessen steuerung

Info

Publication number: DE3620288A1
Application number: DE19863620288
Authority: DE
Inventors: Hals N. Redmond Wash. Larsen; Donald L. LaConner Wash. Stephens
Original assignee: Paccar Inc
Current assignee: Paccar Inc
Priority date: 1985-06-18
Filing date: 1986-06-16
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4697551A; GB8614581D0; GB2178157A

Description

Beschreibung Kühlmittelsystem und Verfahren zu dessen Steuerung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur eines Motorblockes und eines Nachkühlers in einem Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen Einstellung des Kühlmittelflusses in einem abgestimmten Kühlsystem mit niedriger Strömungsmenge, um während verschiedener Motorbelastungen und verschiedener Umgebungstemperaturen die Temperatur der Luft, die den Nachkühler verläßt, auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten sowie die Temperatur des Motorblockes innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches zu halten.

Es sind verschiedenartige Motorkühlsysteme konstruiert worden, um die Motortemperatur innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten.

Es ist bekannt, daß die Leistung von Verbrennungsmotoren durch eine erhöhte Verdichtung der in die Verbrennungskammer eintretenden Luft erhöht werden kann. Abgasturbolader und Auflader sind entwickelt worden, um die den Verbrennungsräumen zugeführte Luftmenge zu erhöhen. Eine nachteilige Wirkung der Druckerhöhung der Ansaugluft auf ihrem Wege zu den Verbrennungsräumen ist jedoch die hieraus resultierende Erwärmung der Luft.

Vorzugsweise soll die Temperatur der Motoransaugluft auf einem bestimmten Wert gehalten werden, um einen maximalen Motorwirkungsgrad zu erzielen.

Daher sind Nachkühler entwickelt worden, die die verdichtete Luft vor ihrer Zuführung zu den Verbrennungsräumen kühlen. In typischen Auslegungen solcher Kühlanordnungen ist der Nachkühler in den Kühlmittelkreislauf für den

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Motorblock integriert, um die Temperatur der verdichteten, d.h. aufgeladenen Luft nahe der Kühlmitteltemperatur zu halten. Allerdings entspricht die gewünschte Betriebstemperatur für den Motorblock, und somit die Temperatur des Motorkühlmittels, häufig nicht der gewünschten Betriebstemperatur des Nachkühlers. Abgestimmte Kühlsysteme mit niedriger Kühlmittelströmungsmenge wurden entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Ein typisches Kühlmittelsystem mit niedriger Kühlmittelströmungsmenge ist in SAE Technical Paper Series, 841023, "Selection of the Optimized Aftercooling System for Cummins Premium Diesel Engines," Geoffry Bond, et al., pp. 4-5, 1984 beschrieben. In dem "abgestimmten Niedrigflußsystem", das dort beschrieben ist, befindet sich der Motorblock in einer Schleife des Kühlmittelkreises mit hoher Kühlmittelströmungsmenge, die von etwa 90 % des Kühlmittels durchströmt wird. Eine zweite Schleife des Kühlmittelkreislaufes mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz ist in Reihe mit der Schleife, die einen hohen Kühlmitteldurchsatz aufweist, vorgesehen. Ungefähr 10 % des Kühlmittels können durch die Schleife mit dem niedrigen Kühlmitteldurchsatz fließen. Eine einzelne Pumpe sorgt für den Kühlmitteldruck in beiden Schleifen. Das System mit der niedrigen Kühlmitteldurchsatzmenge hat den Vorteil, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des Fluides aus der Schleife mit der hohen Kühlmitteldurchsatzmenge in die Schleife mit der kleinen Kühlmitteldurchsatzmenge eintritt und durch den Kühler geführt wird. Somit wird innerhalb der Schleife des Kühlsystemes mit der kleinen Kühlmitteldurchsatzmenge eine verhältnismäßg kleine Menge heißen Kühlfluids durch den Radiator geführt. Im Ergebnis dessen wird diese relativ kleine Kühlmittelmenge in einem Kühler bestimmter Größe einem größeren Temperaturabfall unterworfen als dies im Vergleich zur Durchführung des gesamten Kühlmittelvolumens der Fall wäre, wie dies bei einem herkömmlichen Kühlsystem erfolgt. Somit kann das kühlere

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Kühlfluid, das den Kühler in einer Schleife mit niedriger Kühlmitteldurchsatzmenge durchströmt, zur Kühlung des Nachkühlers auf eine Temperatur, die nahezu der Umgebungstemperatur entspricht, verwendet werden. Diese Temperatur ist wesentlich niedriger als diejenige des Motorblockes oder diejenige des Kühlerausgangs in einem herkömmlichen Kühlmittelsystem.

Ein Nachteil des herkömmlich abgestimmten, Kühlmittelsystems mit niedriger Kühlmitteldurchsatzmenge, das herkömmliche, thermostatische gesteuerte Ventile verwendet, ist die Unfähigkeit eines solchen Systems schnell auf flüchtige Änderungen der Motorbelastung zu reagieren.

Wenn z.B. ein Lastkraftwagen aus der Ebene an einen stellen Anstieg gelangt, benötigt der Nachkühler sofort eine zusätzliche Kühlung, um die Motorleistung beizubehalten. Wenn die Schleife mit der niedrigen Kühlmitteldurchsatzmenge verwendet wird, um die verdichtete Luft in dem Nachkühler des Aufladers bzw. Abgasturboladers zu kühlen, kann die Reaktionszeit, die vergeht, um das Kühlmittel in verstärktem Maße durch den Kühler und nicht im Nebenschluß zu dem Kühler zu leiten, mehrere Minuten betragen, da das Thermostatventil erst durch das den Motorblock verlassende Kühlmittel während dieses momentanen Anstieges der Motorbelastung erwärmt werden muß.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Temperatur der verdichteten Luft, die einen Nachkühler eines Turboladers verläßt, so weit wie möglich auf einem vorgegebenen Temperaturniveau zu halten, unabhängig von der Motorbelastung oder der Temperatur der Omgebungsluft.

Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Temperatur des Motorblockes während flüchtiger bzw. kurzzeitiger Änderungen der Motorlast innerhalb eines vor-

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gegebenen Bereiches zu halten.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Notkühlung für den Motor während starker, kurzzeitiger Belastungsspitzen zu schaffen.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein abgestimmtes Kühlsystem mit niedriger Kühlmitteldurchsatzmenge geschaffen wird, das ein schnell wirkendes Kühler-Bypaßventil besitzt, das auf Signale eines am Luftausgang des Nachkühlers angeordneten Temperatursensors reagiert. Das Ventil gestattet es, dem Kühlmittel innerhalb der Schleife mit der niedrigen Kühlmitteldurchsatzmenge im Nebenschluß (Bypaß) den Kühler zu umgehen oder sich mit dem aus dem Kühler austretenden Fluid zu vermischen, um entweder den Nachkühler zu erwärmen oder zu kühlen. Das Bypaßventil ist ein schnell wirkendes Ventil, das sofort (innerhalb weniger Sekunden) auf das Signal des Temperatursensors reagiert und als Ersatzeinriehtung für ein herkömmliches, thermostatisch gesteuertes Bypaßventil vorgesehen ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Erfindung ein schnell reagierendes Steuersystem für abgestimmte Kühlmittelsysteme mit einer niedrigen Kühlmitteldurchsatzmenge, in denen ein Hauptteil des Kühlmittels in einer Kühlmittelschleife mit hoher Kühlmitteldurchsatzmenge fließt und ein kleiner Teil des Kühlmittels in einer zweiten, mit der ersten Schleife verbundenen Kühlkreislaufschleife fließt, in der eine geringe Kühlmitteldurchsatzmenge geführt ist.

Die Schleife mit dem hohen Kühlmitteldurchsatz enthält den Motorblock und die Schleife mit dem niedrigen Kühlmitteldurchsatz enthält den Kühler und einen Nachkühler. An dem Nachkühler sind Mittel vorgesehen, um die Tempe-

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ratur der verdichteten Luft zu erfassen, die den Nachkühler verläßt. Die verdichtete Luft kann entweder durch einen Abgasturbolader oder einen Auflader verdichtet, d.h. aufgeladen werden. Eine den Kühler umgehende Bypaßleitung ist mit dem schnellwirkenden Kühler-Pendelventil versehen, das in Abhängigkeit von dem Signal der Temperaturerfassungseinrichtung am Nachkühler anteilmäßig das Kühlmittel, das den Kühler verläßt, mit dem Kühlmittel, das in der Kühler-Bypaßleitung diesen umgeht, vermischen kann. Die hieraus resultierende Kühlmittelmischung kann dem Nachkühler zugeführt werden, um die Temperatur der verdichteten Luft, die den Nachkühler verläßt, auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten. Durch die Mischung des Kühlmittels aus dem Kühler mit dem Kühlmittel, das unter Kurzschluß des Kühlers diesen in einen Bypaß umgeht, kann der Nachkühler die verdichtete Luft schnell auf die gewünschte Temperatur abkühlen oder erwärmen. Außerdem kann, z.B. an einem besonders kalten Tag, heißes Kühlmittel aus der Kühler-Bypaßleitung zu dem Nachkühler geführt werden, um die verdichtete Luft auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Andererseits kann alternativ hierzu an einem besonders heißen Tag, das Kühler-Pendelventil nur Kühlmittel aus dem Kühler, das auf einem niedrigen Temperaturniveau ist, zu dem Nachkühler führen, wodurch die Kühlung der verdichteten Luft so nahe wie möglich an die gewünschte Temperatur angenähert ist. Das Kühler-Pendelventil bzw. Bypaßventil wird in Rückkopplung durch die, die Lufttemperatur am Nachkühler erfassende Einrichtung gesteuert, um die richtige Lufttemperatur für einen maximalen Motorwirkungsgrad beizubehalten.

Das schnell reagierende Steuersystem weist außerdem ebenfalls ein,schnell wirkende Verhältniseinstellungen ermöglichendes Nachkühler-Pendelventil in der Kühlmittelschleife mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz auf, das

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in einem Bypaß um den Nachkühler Kühlmittel, das den Kühler verlassen hat, direkt mit Kühlmittel, das den Nachkühler verlassen hat, in einem beliebigen Verhältnis mischen kann. Diese Mischung wird dann direkt der Kühlmittelschleife mit hohem Kühlmitteldurchsatz zugeführt. Zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur im Motorblock sind Mittel vorgesehen, um das Nachkühler-Pendelventil zu steuern. Auf diese Weise kann die Temperatur des Motorblockes innerhalb eines gewünschten Bereiches unabhängig von kurzzeitigen Belastungen der Maschine oder sich ändernder Temperaturen der Omgebungsluft gehalten werden. Der Motorblock ist somit geschützt, falls ein Überhitzungszustand auftreten sollte, da die Kühlmitteltemperatur stromab des Nachkühlers während großer Motorbelastungen wesentlilch höher sein kann. Es wird jedoch eingeschätzt, daß ein großer Teil des Temperaturanstieges des Kühlmittels, der durch die Kühlung der Luft im Nachkühler hervorgerufen wird, nahezu zu dem gleichen Effekt in bezug auf die Motorkühlung führt, als wenn das Kühlmittel aus dem Kühler unmittelbar zu dem Motorblock geführt würde, da kühlere Luft in das Ansaugrohr des Motors geführt wird und daher ein besserer Wirkungsgrad des Motors erreicht wird.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Nachkühler-Pendelventil als auch das Kühler-Pendelventil elektrisch betätigte, proportionale Elektromagnetventile, die in Abhängigkeit von elektrischen Signalen wirksam sind, die durch geeignete Sensoren geliefert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In dieser ist ein Schema eines abgestimmten Kühlsystems mit einer Schleife mit niedriger Kühlmitteldurchsatzmenge gezeigt, in dem die schnell reagierende

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Steuereinrichtung nach der vorliegenden Erfindung angewandt ist.

In der beigefügten Zeichnung ist ein Kühlmittelsystem mit einem schnell reagierenden, abgestimmten Kühlmittelkreislauf mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz nach der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt und allgemein durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Kühlmittelsystem besitzt eine Kühlmittelschleife 12 mit verhältnismäßig hoher Kühlmitteldurchsatzmenge und eine Kühlmittelschleife 14 mit einer verhältnismäßig niedrigen Kühlmitteldurchsatzmenge, ungefähr 10 % des Kühlmittels fließen in der Kühlmittelschleife 12 mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz. Die Kühlmittelschleife 14 mit hohem Kühlmitteldurchsatz enthält einen Motorblock 16, eine Pumpe 18, die beide Kühlmittelschleifen 12 und 14 unter Kühlmitteldruck setzt sowie ein herkömmliches Thermostatventil 19- Die Kühlmittelschleife 12 mit dem niedrigen Kühlmitteldurchsatz ist in Reihe mit der Kühlmittelschleife 14 mit dem hohen Kühlmitteldurchsatz angeordnet. Hintereinander enthält die Kühlmittelschleife 12 mit verhältnismäßig niedrigem Kühlmitteldurchsatz einen Ölkühler 20, einen Wärmetauscher oder Kühler 22 und einen Nachkühler 24.

In dem Kühlsystem 10 erreicht das Kühlmittel seine höchste Temperatur in der Kühlmittelschleife 14 typischerweise an Eingang 26 des Kühlers 22 und weist seine niedrigste Temperatur am Ausgang 28 des Kühlers 22 auf. Die Durchschnittstemperatur des Kühlmittels in der Kühlmittelschleife 12 mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz liegt im allgemeinen zwischen diesen beiden Extremen. Ein schnell wirkendes, proportionales Kühler-Pendelventil 30 ist vorgesehen, um das Ganze oder einen Teil des Kühlmittels zu veranlassen, durch den Kühler 22 oder wahlweise durch eine den Kühler 22 umgehende Bypaßleitung 32 zu strömen. Auf diese Weise

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kann das Kühler-Pendelventil 30 verhältnismäßig kaltes Kühlmittel vom Ausgang des Kühlers 22 mit heißem Kühlmittel vom Eingang des Kühlers 22 vermischen und diese Kühlmittel entsprechend gemischt dem Nachkühler 24 zuführen. Das Mischungsverhältnis zwischen kaltem Kühlmittel am Ausgang des Kühlers 22 und heißem Kühlmittel am Eingang des Kühlers 22 wird durch einen Temperatursensor 34 gesteuert, der die Lufttemperatur der abströmenden, aus dem Nachkühler austretenden Luft erfaßt sowie durch ein herkömmliches, ventilbetätigtes Steuerglied 44.

Das Kühlmittelsystem 10 ist auch mit einem schnell wirkenden proportional betätigbaren Nachkühler-Pendelventil 36 versehen. Das Nachkühler-Pendelventil 36 kann die Mischung kühlen Kühlmittels vom Kühlerausgang 28, das den Nachkühler 24 in einem Bypaß umgeht, mit Kühlmittel gestatten, das durch den Nachkühler 24 geführt worden ist. Das Nachkühler-Pendelventil 36 wird durch einen Temperatursensor 42 des Motorblockes sowie durch eine herkömmliche, ventilbetätigte Steuereinrichtung 45 gesteuert. Somit steuert das Nachkühler-Pendelventil 36 die kühlmitteltemperatur für das Kühlmittel, das in die Kühlmittelschleife 14 mit hohem Kühlmitteldurchsatz eintritt, um die Motortemperatur innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten. Außerdem kann das Nachkühler-Pendelventil 36 schnell kaltes Kühlmittel in einem Bypaß, d.h. einer umgehungsleitung vom Kühlerausgang an dem Nachkühler 24 vorbei direkt zu der Kühlmittelschleife 14 mit hohem Kuhlmitteldurchsatz führen, wenn die Temperatur des Motorblockes eine sichere Betriebstemperatur übersteigt.

Es ist deutlich, daß im Rahmen des Erfindungsgegenstandes Abweichungen von der hier dargestellten konkreten Ausführungsform möglich sind, ohne daß diese den durch die nachfolgenden Ansprüche festgelegten Schutzbereich der Erfindung verlassen.

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Leerseite

Claims

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KühlBittelsyste» und Verfahren zu dessen Steuerung

Patentansprüche 2j'

1_v/Kühlmittelsystem für einen Fahrzeugmotor mit einem Steuersystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem schnell wirkende Steuerglieder (30, 36) sowie eine Kühlmittelschleife (12) mit hohem Kühlmitteldurchsatz,

durch die ein Hauptteil des Kühlmittels fließt und die 30

einen Motorblock enthält, sowie eine Kühlmittelschleife (1*0 mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz aufweist, wobei die Kühlmittelschleife (14) mit dem niedrigen Kühlmitteldurchsatz mit der Kühlmittelschleife

(12) mit dem großen Kühlmitteldurchsatz in Reihe ver-35

bunden ist und die Kühlmittelschleife (14) mit niedrigem

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Kühlmitteldurchsatz in Reihe verschiedene Bauteile, einschließlich eines Kühlers (22) und eines Nachkühlers (22) enthält, der die angesaugte und mittels eines Turboladers verdichtete Ansaugluft des Motors kühlt,

eine Einrichtung (3¹J) zur Erfassung der Temperatur der den Nachkühler (24) verlassenden Luft vorgesehen ist,

eine den Kühler (22) kurzschließende Umgehungsleitung (32) vorgesehen ist, um einen Kühlmittelfluß in der Kühlmittelschleife (1¹I) mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz zu gestatten, und

ein schnell wirkendes, den Kühlmittelfluß stromab des Kühlers (22) steuerndes Ventil (30) in der Kühlmittelschleife (14) mit dem niedrigen Kühlmitteldurchsatz vorgesehen ist, um Kühlmittel aus dem Kühler (22) mit Kühlmittel aus der den Kühler (22) umgehenden Umgehungsleitung (32) zu vermischen und diese Mischung dem Nachkühler (24) in Abhängigkeit von einem Signal zuzuführen, das die Temperaturerfassungseinrichtung (3¹O an dem Nachkühler (24) ausgibt, um den Nachkühler (24) auf einer bestimmten, gewünschten Temperatur zu halten, wodurch die verdichtete Luft im Nachkühler (24) schnell stark gekühltem Kühlmittel aus dem Kühler (22) in der Kühlmittelschleife (14) mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz in Abhängigkeit von Änderungen der Motorbelastung ausgesetzt werden kann.
2. Kühlmittelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine den Nachkühler (24) umgehende Umgehungsleitung, die es Kühlmittel in der Kühlmittelschleife (14) mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz gestattet, den Nachkühler (24) zu umgehen,

eine Einrichtung zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur

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- 3 im Motorblock (16), und

ein schnell wirkendes, proportionales Nachkühler-Pendelventil (36) innerhalb der Kühlmittelschleife (14) mit niedrigem Kühlmitteldurchsatz, um verhältnismäßig Kühlmittel aus dem Nachkühler (24) und der den Nachkühler (24) umgehenden Umgehungsleitung in Abhängigkeit von einem Signal der Temperaturerfassungseinrichtung am Motorblock (16) zu mischen, um die Temperatur des Motorblockes (16) innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten.
3. Kühlmittelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß ein schnell wirkendes, proportionales Kühler-Pendelventil (30) und ein schnell wirkendes, proportionales Nachkühler-Pendelventil (36) vorgesehen ist, und diese Ventile (30, 36) elektrisch gesteuerte Elektromagnetventile sind.
4. Verfahren zur Steuerung eines Kühlsystems, insbesondere nach Anspruch 1 mit einer Steuerung der Lufttemperatur, die einen Nachkühler, der in einer Kühlmittelschleife mit niedrigem Kuhlmitteldurchsatz angeordnet ist, verläßt, derart, daß diese Temperatur der den Nachkühler verlassenden Ansaugluft eines Motors im wesentlichen auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuerung während kurzzeitiger hoher Motorbelastungen in den folgenden Schritten erfolgt:

Durchführen eines Hauptteiles des Kühlmittels durch den Motorblock,

Durchführen eines verhältnismäßig kleinen Teiles von Kühlmittel durch einen Kühler (22) und einen die Ansaugluft kühlenden Nachkühler (24) oder Führen dieses kleinen

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Kühlmittelanteiles zu dem Nachkühler (24) unter Umgehung des Kühlers (22),

Erfassen der Temperatur der den Nachkühler (24) verlassenden Luft, und

wahlweise verzögerungsfrei den kleineren Anteil des Kühlmittels durch den Kühler (22) zu dem Nachkühler (22) in Abhängigkeit von Temperaturerhöhungen zu führen, die in bezug auf die den Nachkühler (24) verlassende Luft ermittelt worden, oder, den kleineren Kühlmittelanteil in Abhängigkeit von Temperaturabnahmen in bezug auf die den Nachkühler (24) verlassende Luft an dem Kühler (22) vorbei direkt zu dem Nachkühler (24) zu führen, um eine verzögerungsfreie Kühlung der Luft im Nachkühler (24) für eine bessere Motorleistung während kurzzeitiger bzw. flüchtiger Änderungen in der Motorbelastung zu erreichen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Schritte:

Erfassen der Temperatur des Motorblockes, und,

einer schnellen Vorbeiführung des Kühlmittels an dem Nachkühler (24) zur Kühlung des Motors während eines schnellen Anstieges der Motorblocktemperatur.
6. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 4, ge kennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Durchführen eines Hauptteiles des Kühlmittels durch den Motorblock (16),

wahlweises Führen einer kleinen Kühlmittelmenge zu einem Kühler (22) und zu einem Nachkühler (24) für Ansaugluft

oder Umgehung des Kühlers (22) und Führen des Kühlmittels unmittelbar zu dem Nachkühler (2¹I),

Erfassen der Temperatur der den Nachkühler (2M) verlassenden Luft, und

wahlweises Zuführen der kleineren Kühlmittelmenge durch den Kühler (22) zu dem Nachkühler (2*0 in Abhängigkeit von Temperaturerhöhungen, die in bezug auf die den Nachkühler (24) verlassende Luft erfaßt wurde, und

Umgehung des Kühlers (22) in Abhängigkeit von erfaßten Temperaturabnahmen in bezug auf die den Nachkühler (2¹I) verlassende Luft, um eine Temperatursteuerung für die den Nachkühler (24) verlassende Ansaugluft des Motors zu schaffen, um eine bessere Motorleistung zu erzielen.