DE4401620A1 - Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil, das ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement enthält - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage für einen Verbren­ nungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühler und einem Thermostatventil, mit dem die Temperatur des Kühl­ mittels in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und einem Kühlerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostat­ ventil ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist.

Dabei regelt das Thermostatventil die Strömung des Kühl­ mittels zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler derart, daß während des Warmlaufbetriebs das vom Verbren­ nungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen unter Um­ gehen des Kühlers durch einen Kurzschluß hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt, daß während des Mischbe­ triebs das vom Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel teilweise durch den Kühler hindurch und teilweise durch den Kurzschluß hindurch zum Verbrennungsmotor zurück­ strömt und daß während des Kühlerbetriebs das vom Ver­ brennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen durch den Kühler hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt.

Die elektrische Beheizung des Dehnstoffelements dient zum Vergrößern des Öffnungsquerschnittes zum Kühler hin ge­ genüber einem durch die Temperatur des Kühlmittels im Be­ reich des Thermostatventils bedingten Öffnungs­ querschnitt.

Eine Kühlanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist beispielsweise aus der DE 30 18 682 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanlage ist in einem Dehnstoffelement eines Thermostatventils ein elektrischer Heizwiderstand angeordnet, dem elektrische Energie durch einen stationär gehaltenen Arbeitskolben hindurch zuführbar ist. Die Zu­ fuhr der elektrischen Energie erfolgt über eine Regelein­ richtung, um die vom Thermostatventil eingeregelte Kühl­ mitteltemperatur besser als bei einem normalen Thermo­ statventil konstant halten zu können. Hierzu wird die Ist-Kühlmitteltemperatur gemessen und mit einem vorgege­ benen oberen und mit einem vorgegebenen unteren Tempera­ turwert verglichen. Wird der obere Temperaturwert er­ reicht, so wird der Heizwiderstand mit elektrischer Ener­ gie versorgt, so daß das Thermostatventil weiter öffnet, um eine erhöhte Kühlleistung und damit eine Absenkung der Ist-Kühlmitteltemperatur zu erreichen. Sinkt die Ist- Kühlmitteltemperatur danach unter den unteren Temperatur­ wert, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Heizwiderstand unterbrochen, so daß das Dehnstoffelement vom kälteren Kühlmittel abgekühlt wird. Dadurch wird der Ventilquerschnitt wieder verringert, so daß die Ist-Kühl­ mitteltemperatur wieder ansteigt. Diese Regelspiele wer­ den ständig wiederholt, um eine Kühlmitteltemperatur im Bereich von beispielsweise 95°C möglichst konstant einzu­ halten.

Aus der DE 37 05 232 A1 ist eine Temperaturregeleinrich­ tung bekannt, bei der anstelle eines üblichen Thermostat­ ventils mit einem Dehnstoffelement ein mittels eines Stellmotors regelbares Ventil vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung wird der Stellmotor zur Verstellung des Ventils in Abhängigkeit von einem Sensor gesteuert, der die Kühlmitteltemperatur in einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Leitung mißt. Der Sensor ist darüber hinaus mit einer Heizeinrichtung ver­ sehen. Die Heizeinrichtung ist in Abhängigkeit von Kenn­ feldgrößen des Verbrennungsmotors ein- und ausschaltbar. Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung kann dem­ nach durch Beheizen des Sensors eine höhere als die reale Kühlmitteltemperatur vorgetäuscht werden, um eine ver­ stärkte Kühlung des Kühlmittels zu erreichen. Eine derar­ tige Temperaturregeleinrichtung ist konstruktiv besonders aufwendig und damit kostenintensiv.

In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmel­ dung P 43 24 178 ist ferner eine Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges eingangs genann­ ter Art beschrieben, bei der das Dehnstoffelement derart ausgelegt ist, daß sich die Kühlmitteltemperatur ohne Be­ heizung des Dehnstoffelementes im Warmlaufbetrieb und/oder im Mischbetrieb auf eine obere Grenztemperatur einregelt. Bei dieser Kühlanlage ist eine Steuereinheit vorgesehen, die abhängig von erfaßten Betriebs- und/oder Umweltgrößen des Verbrennungsmotors die Beheizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Betriebs­ weise der Kühlanlage vom Warmlaufbetrieb oder vom Misch­ betrieb der oberen Arbeitsgrenztemperatur hin zum Misch­ betrieb oder Kühlbetrieb einer gegenüber der oberen Ar­ beitsgrenztemperatur niedrigeren Kühlmitteltemperatur zu verlagern. Da bei dieser Kühlanlage das Dehnstoffelement des Thermostatventils in Abhängigkeit von erfaßten Be­ triebs- und/oder Umweltgrößen des Verbrennungsmotors er­ folgt, ist zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffele­ mentes eine elektronische Steuereinheit erforderlich, in der die erfaßten Betriebs- und/oder Umweltgrößen des Ver­ brennungsmotors in geeigneter Weise verarbeitet und zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes herangezo­ gen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanlage der eingangs genannten Art möglichst einfach so weiterzu­ bilden, daß damit der Betrieb des Verbrennungsmotors be­ züglich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgaswerte opti­ miert werden kann, ohne daß im Falle eines erhöhten Lei­ stungsbedarfs die Leistung des Verbrennungsmotors verrin­ gert ist.

Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichenteil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß sich durch Auslegung des Dehnstoff­ elementes die Kühlmitteltemperatur ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf eine obere Ar­ beitsgrenztemperatur einregelt und daß ein Temperatur­ schalter vorgesehen ist, der abhängig von der am oder in Nähe des Kühlerausgangs erfaßten Kühlmitteltemperatur die Beheizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Betriebsweise der Kühlanlage zum Kühlerbetrieb hin zu verlagern.

Die obere Arbeitsgrenztemperatur ist vorzugsweise gleich der verbrauchsgünstigsten Betriebstemperatur des Verbren­ nungsmotors und ist geringfügig kleiner als die maximal zulässige Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors. Vor­ zugsweise liegt die obere Arbeitsgrenztemperatur über 100°C, insbesondere bei ca. 105°C. Die maximal zulässige Betriebstemperatur ist die höchstmögliche Temperatur, mit der der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb über längere Zeit störungsfrei betrieben werden kann. Dadurch wird auch bei Ausfall der elektrischen Beheizung des Dehn­ stoffelementes eine Beschädigung des Verbrennungsmotors verhindert. Üblicherweise liegt die maximal zulässige Be­ triebstemperatur zwischen 105°C und 120°C.

Wird das Dehnstoffelement nicht elektrisch beheizt, stellt sich ein Öffnungsquerschnitt zum Kühler hin aus­ schließlich in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors ein. Dieser Öffnungsquerschnitt bewirkt ein Einregeln der Kühlmitteltemperatur auf die definierte obere Arbeitsgrenztemperatur. Dabei wird das Dehnstoffelement, z. B. durch Auswahl eines entsprechen­ den temperaturabhängigigen Materials und einer geeigneten konstruktiven Ausgestaltung, so ausgelegt, daß bei der definierten oberen Arbeitsgrenztemperatur der Öffnungs­ querschnitt des Kühlers noch nicht maximal ist, d. h. kein reiner Kühlerbetrieb erreicht wird. So ist durch zu­ sätzliches Beheizen des Dehnstoffelements eine weitere Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes und damit eine Verlagerung in Richtung zum Kühlerbetrieb hin möglich.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß der Öffnungsquer­ schnitt zum Kühler hin und der Öffnungsquerschnitt zu dem den Kühler umgehenden Kurzschluß hin gegensinnig verän­ dert werden.

Durch die erfindungsgemäße Kühlanlage wird im Normalbe­ trieb, d. h. nicht bei erhöhter Leistungsanforderung, wie z. B. im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine oder bei Bergfahrt des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges, eine möglichst hohe Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors erreicht. Dabei ist beispielsweise aufgrund von geringerer Reibung die Leistungsaufnahme des Verbrennungsmotors geringer, wodurch sich der Kraftstoff­ verbrauch senken und die Abgaszusammensetzung verbessern läßt. Um jedoch dann, wenn der Betriebszustand des Ver­ brennungsmotors durch erhöhte Leistungsanforderung ein niedrigeres Kühlmitteltemperaturniveau erfordert, schnell auf dieses Kühlmitteltemperaturniveau umschalten zu kön­ nen, ist erfindungsgemäß ein Temperaturschalter vorgese­ hen, der abhängig von der am oder in Nähe des Kühleraus­ gangs erfaßten Kühlmitteltemperatur elektrische Energie dem beheizbaren Dehnstoffelement in dem Sinne zuführt, daß eine erhöhte Kühlleistung durch weiteres Öffnen des Thermostatventils erhalten wird und damit eine verrin­ gerte Kühlmitteltemperatur schnell erreicht wird. Zu hohe Kühlmittel bzw. Brennkraftmaschinen-Temperaturen bei er­ höhter Leistungsanforderung würden zu einem verringerten Füllungsgrad und damit zu einer verringerten Leistung der Brennkraftmaschine führen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlanlage gegenüber der in der noch nicht veröffentlichten deutschen Pa­ tentanmeldung P 43 24 178 beschriebenen Kühlanlage be­ steht darin, daß in Abhängigkeit von unterschiedlichen Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine ver­ schiedene Kühlmitteltemperaturniveaus mit Hilfe eines einfachen Temperaturschalters unter Verzicht auf ein technisch aufwendiges und kostspieliges elektronisches Steuergerät erreicht werden können. Damit bietet sich die erfindungsgemäße Kühlanlage insbesondere für einen Ver­ brennungsmotor Kraftfahrzeuge des unteren Preissegmentes an. Ein weiterer Vorteil der erfindungsge­ mäßen Kühlanlage besteht darin, daß auf die aufwendige und kostenintensive Erfassung von Betriebs- und Umwelt­ größen des Verbrennungsmotors verzichtet werden kann.

Die Beheizung des Dehnstoffelementes kann beispielsweise zeitgesteuert nach einer bestimmten vorgegebenen Zeit wieder abgeschaltet werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist jedoch ein Zweipunktschalter als Temperaturschalter vor­ gesehen, dessen oberer Schaltpunkt im Bereich von 55°C bis 75°C, vorzugsweise bei 65°C liegt und dessen unterer Schaltpunkt minimal 5°C und maximal 50°C unterhalb des oberen Schaltpunktes liegt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Beheizung des Dehnstoffelementes wie­ der abgeschaltet, wenn die am oder in Nähe des Kühleraus­ gangs erfaßte Kühlmitteltemperatur den unteren Schalt­ punkt des Zweipunktschalters unterschreitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühlanlage für eine Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung und

Fig. 2
oben einen mit der erfindungsgemäßen Kühlanlage ge­ wonnenen Verlauf der Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Kühlers der Brennkraftmaschine so­ wie
unten den dazugehörigen Heizspannungsverlauf für die Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermo­ statventils der erfindungsgemäßen Kühlanlage.

Die in Fig. 1 dargestellte Kühlanlage für einen Verbren­ nungsmotor 1 umfaßt einen Kühler 2. Zwischen dem Verbren­ nungsmotor 1 und dem Kühler 2 ist eine Kühlmittelpumpe 3 angeordnet, die eine Strömung des Kühlmittels in die mit Pfeilen dargestellte Richtung erzeugt. Vom Kühlmittelaus­ tritt 4 des Verbrennungsmotors 1 führt eine Vorlauflei­ tung 5 zum Kühlmitteleingang 6 des Kühlers 2. Vom Kühl­ mittelaustritt oder -ausgang 7 des Kühlers 2 führt zum Kühlmitteleintritt 8 des Verbrennungsmotors 1 eine Rück­ laufleitung 9. In der Rücklaufleitung 9 ist ein Thermo­ statventil 10 mit einem hier nicht dargestellten Dehn­ stoffelement angeordnet. Ferner ist in der Rücklauflei­ tung 9 ein Temperaturschalter in Form eines Zweipunkt­ schalters 11 vorgesehen. Der Zweipunktschalter 11 steuert die Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatven­ tils 10 in Abhängigkeit von der am oder in Nähe des Küh­ lerausgangs 7 erfaßten Kühlmitteltemperatur indem eine elektrische Heizspannung U an ein Heizelement des Dehn­ stoffelementes des Thermostatventils 10 angelegt wird. Das Thermostatventil 10 ist ferner über eine Kurzschluß­ leitung 12 mit der Vorlaufleitung 5 verbunden.

Die Kühlanlage arbeitet im wesentlichen in drei Betriebs­ weisen. In einer ersten Betriebsweise, dem sog. Warmlauf­ betrieb, insbesondere nach dem Kaltstart des Verbren­ nungsmotors 1, ist das Thermostatventil 10 so einge­ stellt, daß die vom Verbrennungsmotor 1 kommende Kühlmit­ telströmung über die Kurzschlußleitung 12 im wesentlichen vollständig zum Verbrennungsmotor 1 zurückgeführt wird. In einer zweiten Betriebsweise arbeitet die Kühlanlage im Mischbetrieb, d. h. das vom Verbrennungsmotor 1 kommende Kühlmittel läuft teilweise durch den Kühler 2 und teil­ weise über die Kurzschlußleitung 12 zurück zum Verbren­ nungsmotor 1. In einer dritten Betriebsweise arbeitet die Kühlanlage im Kühlerbetrieb, d. h. das vom Verbrennungs­ motor 10 kommende Kühlmittel wird im wesentlichen voll­ ständig durch den Kühler 2 hindurch zum Verbrennungsmotor 1 zurückgeführt.

Die Betriebsweise der Kühlanlage kann durch Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 10 durch An­ steuerung über eine elektrische Leitung 13, durch die das Thermostatventil 10 mit dem Zweipunktschalter 11 elek­ trisch verbunden ist, in Richtung des Kühlerbetriebs ver­ stellt oder vollständig auf Kühlerbetrieb umgeschaltet werden. Damit verringert sich das Temperaturniveau des Kühlmittels gegenüber dem mit einer Betriebsweise ohne Beheizung des Dehnstoffelementes erreichten Temperaturni­ veau. Wird danach die Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventiles 10 durch Ansteuerung durch den Zweipunktschalter 11 über die elektrische Leitung 13 wie­ der unterbrochen, so kühlt das jetzt kühlere Kühlmittel das Dehnstoffelement des Thermostatventils 10 ab bis es eine eingeregelte Endstellung im Mischbetrieb einnimmt, so daß die Kühlmitteltemperatur wieder auf eine Endtempe­ ratur angehoben wird. Die eingeregelte Endtemperatur im Mischbetrieb wird auf die obere Arbeitsgrenztemperatur festgelegt.

Die Versorgung des Thermostatventils 10 mit elektrischer Energie wird durch den Zweipunkttemperaturschalter 11 über die elektrische Leitung 13 in Abhängigkeit von der am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 erfaßten Kühlmittel­ temperatur gesteuert. Da die Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 in sehr guter Näherung den Belastungszustand der Brennkraftmaschine 1 wiedergibt, eignet sich diese Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühlerausgang 7 sehr gut zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 10. Dies ist die Grundlage dafür, daß die Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils in konstruktiv sehr einfacher und damit sehr kostengünstiger Weise durch einen einfachen Temperaturschalter, vorzugsweise einen Zweipunkttemperaturschalter erfolgen kann. Es ist damit nicht erforderlich, verschiedene Betriebs- und/oder Um­ weltgrößen des Verbrennungsmotors 1 zu erfassen und in einem teueren elektronischen Steuergerät zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes des Ther­ mostatventils 10 zu verarbeiten.

In Fig. 2 oben ist in einem Diagramm die Kühlmitteltempe­ ratur T über der Zeit t bei Vollast des Verbrennungsmo­ tors 1 (Fig. 1) dargestellt, wie er sich mittels der er­ findungsgemäßen Kühlanlage erreichen läßt. Das Dehnstoff­ element des Thermostatventils 10 (Fig. 1) wird beispiels­ weise durch die Zusammensetzung des Dehnstoffes auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur ausgelegt, die hier bei­ spielsweise einer Kühltemperatur von ca. 105°C im einge­ regelten Mischbetrieb entspricht. Diese Kühlmitteltempe­ ratur von ca. 105°C wird jedoch nur im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erreicht, bei dem es zweckmäßig ist, durch Verminderung von Reibung den Kraftstoffver­ brauch zu reduzieren und gleichzeitig die Abgaszusammen­ setzung zu verbessern. Grundsätzlich soll die Kühlmittel­ temperatur zur Verbrauchsoptimierung immer so heiß wie möglich aber bei Leistungsanforderungen im Vollastbereich zur Verbesserung der Zylinderfüllung so kühl wie möglich sein.

Das Dehnstoffelement des Thermostatventiles 10 ist so ausgelegt, daß bei hier ca. 105°C der mögliche Verstell­ weg des Thermostatventils bzw. der maximal mögliche Öff­ nungsquerschnitt noch nicht eingestellt ist. So kann bei Vollast des Verbrennungsmotors das Dehnstoffelement des Thermostatventils 10 (Fig. 1) derart beheizt werden, daß zur möglichst schnellen Verringerung der Kühlmitteltempe­ ratur ein maximaler Öffnungsquerschnitt zum Kühler hin eingestellt wird und dadurch vollständig in den Kühlerbe­ trieb übergegangen wird. Der Vollastbetrieb wird bei der erfindungsgemäßen Kühlanlage durch den Temperaturschalter in Form des Zweipunktschalters 11 (Fig. 1) erfaßt. Wenn aufgrund einer starken Beanspruchung des Verbrennungsmo­ tors die Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühler­ ausgangs 7 (Fig. 1), wie in Fig. 2 oben beim Punkt A ge­ zeigt, die kritische obere Temperaturschwelle von 65°C und damit den oberen Schaltpunkt überschreitet, wird wie in Fig. 2 unten dargestellt, zum Zeitpunkt t₁ die Heiz­ spannung U zum Beheizen des Dehnstoffelementes des Ther­ mostatventiles 10 an das Heizelement des Dehnstoffelemen­ tes so lange angelegt, bis die Temperatur des Kühlmittels am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 (Fig. 1) die in Fig. 2 oben dargestellte untere Temperaturschwelle von 60°C und damit den unteren Schaltpunkt des Temperaturschalters 11 erreicht. Dann wird, wie in Fig. 2 unten dargestellt, zum Zeitpunkt t₂, d. h. nach einer Zeitspanne Δt die Be­ heizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 10 (Fig. 1) wieder unterbrochen. Dies hat die Folge, daß die Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 (Fig. 1) wieder so lange langsam ansteigt, bis die obere Temperaturschwelle von 65°C wieder erreicht ist, und der Zeitpunktschalter 11 (Fig. 1) mit Erreichen seines oberen Schaltpunktes die Spannung U wieder an das Heizelement zur Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventi­ les 10 (Fig. 1) erneut anlegt.

Der erfindungsgemäßen Kühlanlage liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß die Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Ausgangs 7 des Kühlers 2 in sehr guter Annäherung ein Maß für die Belastung des Verbrennungsmotors 1 darstellt. Diese Erkenntnis wird bei der erfindungsgemäßen Kühlan­ lage dadurch genutzt, daß am oder in unmittelbarer Nähe des Ausgangs 7 des Kühlers 2 ein Temperaturschalter in Form eines Zweipunktschalters 11 vorgesehen ist, der die belastungsabhängige Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventiles 10 im Vollastbetrieb des Verbrennungs­ motors 1 steuert. Bei dieser einfachen Art der Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventi­ les 10 kann auf die kostenintensive Erfassung der Be­ triebs- und Umweltgrößen des Verbrennungsmotors 1 sowie ferner auf ein teueres elektronisches Steuergerät ver­ zichtet werden. Die erfindungsgemäße Kühlanlage eignet sich daher insbesondere für Kraftfahrzeuge des unteren Preissegmentes.

Claims (2)

1. Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraft­ fahrzeuges mit einem Kühler und einem Thermostatven­ til, mit dem die Temperatur des Kühlmittels in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und einem Küh­ lerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostatventil ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Auslegung des Dehnstoffelementes die Kühlmitteltemperatur ohne Be­ heizung des Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur einregelt und daß ein Temperaturschalter (11) vorgesehen ist, der ab­ hängig von der am oder in Nähe des Kühlerausgangs (7) erfaßten Kühlmitteltemperatur (T) die Beheizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Betriebsweise der Kühlanlage zum Kühlerbetrieb hin zu verlagern.

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschalter (11) ein Zweipunktschalter ist, dessen oberer Schaltpunkt im Bereich von 55°C bis 75°C, vor­ zugsweise bei 65°C liegt und dessen unterer Schalt­ punkt minimal 5°C und maximal 50°C unterhalb des oberen Schaltpunktes liegt.