DE4431043A1 - Verfahren zur Kühlung von Antriebsmotoren mit einem flüssigen Strömungsmedium - Google Patents

Description

Stand der Technik

Im Kraftfahrzeugbau werden heute i.a. geschlossene Kühlmittelkreisläufe mit flüssi­ gem Wärmeübertragungsmedium eingesetzt. Als Kühlmittel dient normalerweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel wie z. B. Glycol.

Das Kühlmittel wird mit Hilfe einer Pumpe durch den Motor gepumpt und strömt bei betriebswarmem Motor über den vom Fahrtwind bzw. vom Ventilator mit kalter Umgebungsluft gekühlten Luft-Kühlmittelwärmetauscher (großer Kühlmittelkreislauf). Bei kaltem Motor ist der große Kühlmittelkeislauf über einen Thermostaten verschlos­ sen, so daß das Wasser lediglich im "Kurzschlußbetrieb" (kleiner Kühlmittelkreislauf) umgewälzt wird. Üblicherweise liegt parallel oder in Reihe zum kleinen Kühlmittelkreis­ lauf ein Kabinenwärmetauscher, der dem Kühlmittel Wärme für die Kabine entzieht.

Für die heute am Markt befindlichen Motoren für Kraftfahrzeuge ist hier festzuhal­ ten, daß diese alle einen sehr großen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor aufweisen, um einen guten Wärmetransport aus dem Motor heraus zu gewährleisten und lokale Überhitzung bei hoher Last zu verhindern. Insbesondere für die hohen Verdichtungs­ verhältnisse moderner Motoren ist bei Vollast eine gute Kühlung des Zylinderkopfes erforderlich.

Daher ist heute der Kühlmitteldurchsatz üblicherweise im großen wie im kleinen Kühl­ mittelkreislauf relativ groß, auch wenn bei geschlossenem Thermostaten der Strömungs­ widerstand im kleinen Kühlmittelkreislauf höher und somit der Durchsatz etwas geringer ist.

Diese hohen Kühlmittelmassenströme haben zur Folge, daß sich der Motor beim Kalt­ start trotz geschlossenem Thermostaten auch bei ausgeschalteter Kabinenheizung nur langsam erwärmt. Die bei der Verbrennung im Zylinder anfallende Abwärme wird auf den gesamten Motor inklusive Kurbelgehäuse, Kühlmittelpumpe und Kühlmittelleitun­ gen verteilt.

Aus Emissions- und Verbrauchsgründen ist es aber bei kaltem Motor wesentlich zweck­ mäßiger, die Wärme mehr im Bereich der Brennraumwände zu belassen, solange bis hier die Betriebstemperatur erreicht ist. Ein besserer Motorwirkungsgrad aufgrund ei­ ner besseren Verbrennung, geringerer Kaltstartanreicherung, geringerer Wandwärme­ verluste und einer geringeren mechanischen Reibung zwischen Kolben und Zylinder sind bekannte Effekte einer schnelleren Aufheizung der Brennraumwände. Weiterhin ist bekannt, daß sich eine schnellere Aufwärmung der Brennraumwände positiv auf die Schadstoffemissionen auswirkt. Voraussetzung für Maßnahmen zur Realisierung lokal erhöhter Motortemperaturen im Bereich der Brennraumwände ist natürlich ein Motor, der auch größere Temperaturgradienten über die einzelnen Motorbereiche ohne mecha­ nischen Schaden übersteht.

Aufgabenstellung

Für derartige Motoren mit dem Potential höhere Temperaturgradienten ohne mecha­ nischen Schaden zu überstehen folgt somit die Aufgabenstellung, den Kühlmittelmas­ senstrom im Kaltstart soweit zu reduzieren, wie es die mechanische Festigkeit bezüglich der Temperaturspannungen zuläßt, wobei die maximal zulässige Kühlmitteltemperatur auch lokal höchstens temporär überschritten werden darf. Insbesondere besteht hier­ bei die Aufgabe, die Abwärme des Verbrennungsprozesses in Situationen mit zu kalten Brennraumwänden auf diesen Bereich zu konzentrieren.

Eine Verbesserung bestehender Motoren wird aber auch bereits schon dann erreicht, wenn lediglich der Kühlmittelmassenstrom deutlich zurückgenommen wird, ohne an die Grenze zur Dampfblasenbildung zu gehen wobei dann insbesondere die Aufgabenstel­ lung besteht, die Dampfblasenbildung in außergewöhnlichen Betriebssituationen sicher zu vermeiden. Für die vielfältigen Möglichkeiten, den Kühlmittelmassenstrom durch den Motor über Stellglieder zu reduzieren, besteht deshalb eine weitere wichtige Aufgaben­ stellung darin die Grenze lokaler Überhitzung innerhalb des Motors sicher zu erkennen und im Bedarfsfall entsprechende Steuer- bzw. Regelsignale bereitzustellen.

Da im winterlichen Fahrbetrieb damit zu rechnen ist, daß die Kabinenheizung in Be­ trieb ist, besteht unter diesen Randbedingungen weiterhin die Aufgabe, daß stets ein Mindestkühlmittelmassenstrom durch Motor und Kabinenwärmetauscher strömt, um eine hinreichende Heizleistung in der Kabine bereitzustellen. Hierbei ist die Aufgaben­ stellung um die Forderung nach einer möglichst hohen Motoraustrittstemperatur des Kühlmittels zur Erzielung einer guten Kabinenheizleistung erweitert.

Lösung

Zur Lösung obiger Aufgabenstellungen wird bei einem über flüssiges Wärmeübertra­ gungsmedium gekühlten Motor zur Beschleunigung des Aufheizvorgangs bzw. zur Re­ duktion der Wärmeverluste an die Umgebung der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor solange reduziert, bis sich erste Dampfblasen und Dampfschläge bilden. Eine entspre­ chende Steuerung oder Regelung erkennt diese Grenze und sorgt über ein Stellglied dafür, daß die Druckpulsationen nicht über eine längere Dauer vorliegen oder eine be­ stimmte Amplitude überschreiten. Hierdurch wird das Kühlmittel bis an die kritische Grenze belastet, ohne daß die Gefahr einer lokalen Motorüberhitzung besteht.

Als einfachste Verfahrensvariante wird hierzu beim Kaltstart, d. h. bei geschlossenem Thermostaten, der Kühlmittelmassenstrom im kleinen Kühlmittelkreislauf über ein Dros­ selventil teilweise versperrt. Hierdurch erhöht sich die Pumpenleistung geringfügig, was als positiver Nebeneffekt über die Erhöhung der Motorlast hilft, die Aufheizdauer des Motors zu reduzieren. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist hierbei je­ doch, daß sich die Wärmeabgabe des Motors an das Kühlmittel reduziert, und die Brennkammerwände deshalb schneller aufgeheizt werden. Mit anderen Worten, das Kühlmittel verläßt den Motor bereits kurz nach dem Kaltstart mit einer relativ hohen Temperatur, im Optimalfall relativ nahe am Siedepunkt. Der erfindungsgemäße Sen­ sor zur Erkennung der Dampfblasen im kleinen Kühlmittelkreislauf stellt hierbei sicher, daß die Temperaturen im Motor nicht zu hoch werden. Er befindet sich beispielsweise am Kühlmittelaustritt aus dem Zylinderkopf oder an einer anderen besonders tempe­ raturempfindlichen Stelle. Sobald die Gefahr einer lokalen Überhitzung des Motors besteht, erkennt der Sensor dies, und hebt die Behinderung des Kühlmitteldurchsatzes im kleinen Kühlmittelkreislauf auf.

Bei der erfindungsgemäßen Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes im kleinen Kühlmit­ telkreislauf ist darauf zu achten, daß der Thermostat des großen Kühlmittelkreislaufes erst dann öffnet, wenn auch nach der Aufhebung der Durchsatzreduktion im kleinen Kühlmittelkreislauf noch überschüssige Motorabwärme abzuführen ist. Dies ist beson­ ders im Winter von Bedeutung, um eine einwandfreie Funktion der Kabinenheizung sicherzustellen.

Zur erfindungsgemäßen Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes können die verschieden­ sten Stellglieder wie z. B. Drosselventile, Drosselklappen oder auch Stellglieder zur Veränderung der Pumpendrehzahl herangezogen werden. Je nach Kostenrahmen kann eine zwei- oder mehrstufige Verstellung erfolgen.

Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung ein Druckpulsationssensor im Kühlmittel als Sensor für lokale Überhit­ zungen verwendet werden. Dieser erkennt relativ unabhängig von seiner Einbaulage im Kühlmittelkreislauf - die bei lokaler Überhitzung gebildeten und dann wieder zusam­ menbrechenden Dampfblasen als Druckpulsationen. Ist beispielsweise die Amplitude dieser Pulsationen zu groß oder deren Frequenz zu hoch übernimmt eine entsprechende Elektronik die Steuerung der Aufhebung der Durchsatzreduzierung im kleinen Kühlmit­ telkreislauf.

Bei einer anderen Variante wird ein Sensor zur Überwachung der Dichte des Kühlmittels an eine Stelle positioniert, die besonders kritisch bezüglich der Dampfblasenbildung ist.

Falls die Umgebungs- oder die Kühlmitteltemperaturen sehr hoch sind, kann es vor­ kommen, daß die erfindungsgemäße Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes häufig ein- und ausgeschaltet wird. Das gleiche gilt für den Betrieb bei hoher Motordrehzahl bzw. Motorlast. Für derartige Betriebssituationen kann es zweckmäßig sein, die Schaltung des Kühlmitteldurchsatzes im kleinen Kühlmittelkreislauf mit einer Zeitverzögerung für das Einschalten der Durchsatzreduktion zu versehen oder die Durchsatzreduktion ganz still zu legen. Auch hierzu sind die verschiedensten Schaltungsvarianten denkbar.

Wie bereits beschrieben, ist es speziell bei hoher Motorlast zumindest bei warmem Mo­ tor vorteilhaft, die Temperatur der Brennraumwände möglichst niedrig zu halten. Da in diesem Betriebszustand ohnehin auch genügend Abwärme für die Kabinenheizung zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, hier den maximalen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor einzustellen.

Ebenso ist es unzweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren in Situationen in Betrieb zu nehmen, in denen der Motor bereits warm ist, oder wenn kein Heizleistungsbedarf für die Kabine besteht, da sich in diesen Betriebssituationen die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe unnötigerweise erhöht.

Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines zukünftigen Kühlkreis­ laufes ist in Fig. 1 ein besonders einfaches Anwendungsbeispiel dargestellt. Bei dieser Anwendung dient das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur der Verkürzung der Moto­ raufheizung im Bereich der Brennraumwände sondern es erlaubt gleichzeitig eine beson­ ders effiziente Nutzung der Motorabwärme für die Beheizung der Kabine.

Hierzu wird das flüssige Kühlmittel vom Motor 1 über die Vorlaufleitung 2 zum Kabi­ nenwärmetauscher 3 und dann über die Rücklaufleitung 4, den Thermostaten 5 und die Kühlmittelpumpe 6 zurück zum Motor 1 gefördert.

Die Regelung der an die Kabine abgegebenen Wärme erfolgt in dieser Schaltung durch die Anpassung der mit Hilfe des Gebläses 9 von der Leitung 10 durch die Leitung 11 über den Kabinenwärmetauscher 3 und die Leitung 13 in die Kabine geförderte Luft­ masse. Hierbei ergibt sich die Temperatur der i.a. über zahlreiche Düsen in die Kabine geförderten Luft als Mischtemperatur der über die Regelklappe 14 auf die Leitungen 11 und 12 verteilten Luftmassen. Bei manchen Anwendungen sitzt die Regelklappe auch hinter dem Kabinenwärmertauscher.

Alternativ zur in Fig. 1 dargestellten luftseitigen Regelung der Kabinentemperatur sind auch entsprechende Kreisläufe mit kühlmittelseitiger Regelung realisierbar, bei denen eine Regelklappe einen wasserseitigen Bypaß schaltet, um die an die Kabine abgegebene Wärmemenge zu reduzieren.

In Abweichung vom allgemeinen Serienstandard kommt beim in Fig. 1 eingesetzten Kabinenwärmetauscher nicht die Querstrombauart zur Anwendung sondern die Gegen­ strombauart.

Gleichzeitig bestimmt der zusätzlich zum Serienstandard im Motor eingebaute Sensor 17 den Zustand des Kühlmittels, indem er die Dichte bzw. die Dampfblasenhäufigkeit im Kühlmittel erfaßt und über die Regelung 16 weiterverarbeitet. Solange die Dampf­ blasendichte einen vorgegebenen kritischen Wert nicht übersteigt fährt die Regelung 16 das Ventil 15 in die halboffene Stellung. Hierdurch wird der Flüssigkeitsdurchsatz durch Motor und Kabinenwärmetauscher reduziert, was eine Erhöhung der Kühlmitteltempe­ ratur im Bereich der Brennraumwände und auch im Wärmetauschereintritt bewirkt.

Die Vorteile der erhöhten Temperaturen an den Brennraumwänden für die Schadstoffe­ missionen während des Kaltstarts liegen auf der Hand. Diese sind im Sommer und im Winter wirksam.

Durch die Verwendung eines Kabinenwärmetauschers in Gegenstrombauart wirkt sich auch eine relativ starke Reduktion des Kühlmittelmassenstroms nicht negativ auf die Kabinenheizleistung aus. Im Gegenteil, durch die schnelle Bereitstellung warmen Kühl­ mittels am Wärmetauschereintritt und insbesondere durch die drastische Reduktion der Wärmeverluste durch die Reduktion der Kühlmitteltemperatur in der Rückflußleitung des Kühlmittels 4 verbessert sich das Aufheizverhalten der Kabine ebenso wie die Dau­ erheizleistung.

Erreicht das Kühlmittel eine zu hohe Temperatur, weil an der Kabinenheizung zu we­ nig Heizleistung abgenommen wird, so führt dies lokal im Motor zu einer verstärkten Dampfblasenbildung. Diese wird vom Sensor 17 erkannt, welcher sogleich die Dros­ selstelle 15 vollständig öffnet. Nun strömt eine sehr hohe Kühlmittelmenge durch den Kabinenwärmetauscher, die bei den heute üblichen Luftmassenströmen durch den Kabi­ nenwärmetauscher auch bei der Gegenstromanordnung des Kabinenwärmetauschers nur noch zu einer relativ geringen Abkühlung des Kühlmittels führt. Im Grenzfall, wenn die Kabinenheizung ausgeschaltet ist, übernimmt der über den Thermostaten geschaltete große Kühlmittelkreislauf die Aufgabe der Motorkühlung.

Auch eine stufenlose Regelung der Drosselklappe 15 ist denkbar. Grundsätzlich ist beim Betrieb der Drosselstelle 15 natürlich zu beachten, daß der Thermostat 5 den großen Kühlkreislauf - hier angedeutet durch die Leitungen 7 und 8 - weitgehend verschließt, solange keine überschüssige Abwärme vorhanden ist.

Ob der Thermostat allerdings in der in Fig. 1 eingezeichneten Position sitzt oder ob er zur Verbesserung des Fail-Save-Verhaltens am Motoraustritt sitzt hängt letztendlich vom verwendeten Motor und der zusätzlichen Überwachung der Kühlmitteltemperatur über das Motormanagement ab.

Claims (9)

1. Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen mit flüssigem Kühlmittel, ins­ besondere Verfahren zur Kühlung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem Stellglied zur Variation des Kühlmittelmassenstromes durch die An­ triebsmaschine dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz in Abhängigkeit vom Ausmaß der Gasblasenbildung im Kühlmittelstrom gesteuert oder geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckpulsationen die durch die Bildung bzw. den Zerfall der Dampfblasen entstehen, als Steuer- oder Regelsignal verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor zur Erkennung der Dampfblasendichte im Kühlmittel verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz erhöht wird, sobald die Dampfblasenbildung bzw. die Druckpul­ sation im Kühlmittel einen bestimmten Wert übersteigt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz für eine bestimmte Zeit erhöht bleibt, sobald eine Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes erfolgt ist.

6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes über das Stellglied aufgehoben wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels oder die Umgebungstemperatur einen bestimmten Wert überschreitet.

7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes über das Stellglied aufgehoben wird, sobald der Motor eine bestimmte Drehzahl oder Last überschreitet.

8. Kühlmittelkreislauf für Antriebsmaschinen mit flüssigem Kühlmittel, insbesondere Kühlmittelkreislauf für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit minde­ stens einem Stellglied zur Variation des Kühlmittelmassenstroms durch die Verbren­ nungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor über eine Steuerung oder Regelung mit Druckpulsationssensor im Kühlmittel­ kreislauf erhöht wird, sobald sich zu starke Druckpulsationen einstellen.

9. Kühlmittelkreislauf für Antriebsmaschinen mit flüssigem Kühlmittel, insbesondere Kühlmittelkreislauf für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit minde­ stens einem Stellglied zur Variation des Kühlmittelmassenstroms durch die Verbren­ nungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor über eine Steuerung oder Regelung mit Sensor zur Erkennung von Dampfblasen im Kühlmittelkreislauf erhöht wird, sobald sich zu eine zu starke Dampfblasenbildung einstellt.