DE4431043C2 - Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen mit flüssigem Kühlmittel - Google Patents
Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen mit flüssigem KühlmittelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen mit flüssigem
Kühlmittel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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 Kabinenwämetauscher, 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 Gesamtdurchsatz 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.
Aus der DE 38 09 136 A1 ist ein Verfahren zur Kühlung einer Antriebsmaschine be
kannt, bei der das Kühlmittel soweit erwärmt wird, daß sich Dampfblasen bilden, die
dann im Heizungswärmetauscher und im Hauptkondensator wieder kondensiert werden.
Der Kühlmittelmassenstrom kann durch eine geregelte oder gesteuerte Kühlmittelpumpe
variiert werden. Zum schnellen Aufheizen des Fahrgastinnenraumes wird bei kaltem Mo
tor das Kühlmittel nur über den Heizungswärmetauscher geleitet und die Dampfblasen
hier kondensiert. Steigt der Druck weiter an, öffnet ein vom Kühlmitteldruck betätigtes
Ventil und gibt den Weg über den Hauptkondensator frei.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Deckung eines erhöhten Wärmebedarfs
in bestimmten Betriebssituationen eine möglichst hohe Temperatur des Kühlmittels am
Antriebsmaschinenaustritt zu erreichen, wobei für jede Betriebssituation der Antriebs
maschine sichergestellt werden muß, daß weder am Antriebsmaschinenaustritt noch
sonst irgendwo innerhalb der Antriebsmaschine eine Überhitzung von Bauteilen oder
gar eine anhaltende Verdampfung des Kühlmittels auftritt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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 Verfahren ist hierbei jedoch, 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 Opti
malfall relativ nahe am Siedepunkt. Der Sensor 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 Zylin
derkopf oder an einer anderen besonders temperaturempfindlichen 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 Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes im kleinen Kühlmittelkreislauf 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 besonders im Winter von Bedeu
tung, um eine einwandfreie Funktion der Kabinenheizung sicherzustellen.
Zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes können die verschiedensten Stellglieder, wie
z. B. Drosselventile, Drosselklappen oder auch Stellglieder zur Veränderung der Pumpen
drehzahl herangezogen werden. Je nach Kostenrahmen kann eine zwei- oder mehrstufige
Verstellung erfolgen.
Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in einer besonders zweckmäßigen
Ausgestaltung der Sensor Druckpulsationen, die durch die Bildung und den Zerfall der
Dampfblasen entstehen, erfassen und als Steuer- oder Regelsignal verwenden. Dieser
Sensor erkennt - relativ unabhängig von seiner Einbaulage im Kühlmittelkreislauf - die
bei lokaler Überhitzung gebildeten und dann wieder zusammenbrechenden 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 Kühlmittelkreislauf.
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 vorkom
men, daß die 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 Durch
satzreduktion 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 Erfindung ist in Fig. 1 ein besonders einfaches Anwendungsbei
spiel dargestellt. Bei dieser Anwendung dient das Verfahren nicht nur der Verkürzung
der Motoraufheizung im Bereich der Brennraumwände, sondern es erlaubt gleichzeitig
eine besonders effiziente Nutzung der Motorabwärme für die Beheizung der Kabine.
Hierzu wird das flüssige Kühlmittel von einer Antriebsmaschine 1 in Form eines Motors
über eine Vorlaufleitung 2 zum Kabinenwärmetauscher 3 und dann über eine Rück
laufleitung 4, einen Thermostaten 5 und eine Kühlmittelpumpe 6 zurück zum Motor
gefördert.
Die Regelung der an die Kabine abgegebenen Wärme erfolgt in dieser Schaltung durch
die Anpassung der mit Hilfe eines Gebläses 9 von einer Leitung 10 durch eine Leitung 11
über den Kabinenwärmetauscher 3 und eine 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 eine Regelklappe 14 auf die Leitungen 11
und 12 verteilten Luftmassen. Bei manchen Anwendungen sitzt die Regelklappe auch
hinter dem Kabinenwärmetauscher.
In Abweichung vom allgemeinen Serienstandard kommt beim in Fig. 1 eingesetzten
Kabinenwärmetauscher nicht die Querstrombauart zur Anwendung sondern die Gegen
strombauart.
Gleichzeitig bestimmt ein zusätzlich zum Serienstandard im Motor eingebauter Sensor
17 den Zustand des Kühlmittels, indem er die Dichte bzw. die Dampfblasenhäufigkeit
im Kühlmittel erfaßt und über eine Regelung 16 weiterverarbeitet. Solange die Dampf
blasendichte einen vorgegebenen kritischen Wert nicht übersteigt, fährt die Regelung 16 ein Stellglied 15
in Form eines Steuerventils in die halboffene Stellung. Hierdurch wird der Flüssigkeitsdurchsatz
durch Motor und Kabinenwärmetauscher reduziert, was eine Erhöhung der Kühlmit
teltemperatur 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 3 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 Rückflaufleitung
4 verbessert sich das Aufheizverhalten der Kabine ebenso wie die Dauerheizleistung.
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 das Stell
glied 15 vollständig öffnet. Nun strömt eine sehr hohe Kühlmittelmenge durch den
Kabinenwärmetauscher, die bei den heute üblichen Luftmassenströmen durch den Ka
binenwärmetauscher 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 5
geschaltete große Kühlmittelkreislauf die Aufgabe der Motorkühlung.
Auch eine stufenlose Regelung des Stellgliedes 15 ist denkbar. Grundsätzlich ist beim
Betrieb des Stellgliedes 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 (7)
1. Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen (1) mit flüssigem Kühlmittel, ins
besondere Verfahren zur Kühlung von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit
mindestens einem Stellglied (15) zur Variation des Kühlmittelmassenstromes durch
die Antriebsmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz durch
die Antriebsmaschine (1) in Abhängigkeit vom mittels eines Sensors (17) gemessenen
Ausmaß einer lokalen Dampfblasenbildung im Kühlmittelstrom derart gesteuert oder
geregelt wird, daß sich zumindest zeitweise eine möglichst hohe Kühlmitteltemperatur
am Antriebsmaschinenaustritt (1a) ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (17) Druck
pulsationen, die durch die Bildung und den Zerfall der Dampfblasen entstehen, erfaßt
und als Steuer- oder Regelsignal verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (17) die Dampf
blasendichte im Kühlmittel erfaßt und als Steuer- oder Regelsignal verwendet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung
der Kühlmitteltemperatur das Stellglied (15) eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
durch die Antriebsmaschine (1) vornimmt und daß der Kühlmitteldurchsatz erhöht wird,
sobald die Dampfblasendichte oder die Druckpulsation 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 Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung
der Kühlmitteltemperatur das Stellglied (15) eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch
die Antriebsmaschine (1) vornimmt und daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
über das Stellglied (15) aufgehoben wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels oder
die Umgebungstemperatur einen bestimmten Wert überschreitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung
der Kühlmitteltemperatur das Stellglied (15) eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
durch die Antriebsmaschine (1) vornimmt und daß die Reduktion des Kühlmitteldurch
satzes über das Stellglied (15) aufgehoben wird, sobald die Antriebsmaschine (1) eine
bestimmte Drehzahl oder Last überschreitet.
Priority Applications (1)
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DE19944431043 DE4431043C2 (de) | 1994-09-01 | 1994-09-01 | Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen mit flüssigem Kühlmittel |
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Publications (2)
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DE4431043A1 DE4431043A1 (de) | 1996-03-07 |
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ID=6527092
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Inventor name: HIMMELSBACH, JOHANN, DR.-ING., 77960 SEELBACH, DE |
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