DE4431043C2 - Verfahren zur Kühlung von Antriebsmaschinen mit flüssigem Kühlmittel - Google Patents

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.