DE60037096T2

DE60037096T2 - Anlage und Verfahren zur Kühlung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60037096T2
Application number: DE60037096T
Authority: DE
Inventors: Makoto Toyota-shi Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: EP1101915B1; EP1101915A3; DE60037096D1; EP1101915A2; JP2001140644A; US6571752B1; JP4193309B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Wasserkühlsystem einer Brennkraftmaschine und genauer gesagt auf ein System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4 zum Kühlen, das dazu im Stande ist, ein Aufwärmen frühzeitig durchzuführen.
Zugehöriger Stand der Technik
Bei einer Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug ist es von großer Bedeutung hinsichtlich eines Verbesserns von sowohl eines Kraftstoffverbrauchsbetriebsverhaltens, als auch einer Emission von Abgas, ein frühzeitiges Aufwärmen zu erzielen, wenn die Maschine gestartet wird.
In Bezug auf das frühzeitige Aufwärmen einer wassergekühlten Brennkraftmaschine ist ein Verfahren zum frühzeitigen Aufwärmen vorgeschlagen, das auf ähnliche Weise einen Wärmespeicherbehälter verwendet. Bei dieser Art von Brennkraftmaschine wird das Heißwasser (erhitzte Wasser), das während eines Betriebs der Brennkraftmaschine entlang eines Kühlwasserkreises strömt, in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrt und dessen Wärme wird in diesem Wärmespeicherbehälter gespeichert. Das Heißwasser (erhitzte Wasser), das in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrt wird, wird der Brennkraftmaschine über den Kühlwasserkreis zugeführt, wenn die Maschine das nächste Mal gestartet wird, wodurch das frühzeitige Aufwärmen der Brennkraftmaschine erreicht wird. Ferner ist eine Verbrennungsheizeinrichtung zum bedarfsgemäßen Erhitzen des Kühlwassers vorgesehen.
Bei dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine gemäß dem Stand der Technik, das den Wärmespeicherbehälter aufweist, wird eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das zu der Brennkraftmaschine strömt, gleich derjenigen eingestellt, wenn das Hochtemperaturkühlwasser in dem Wärmespeicherbehälter bevorratet wird und die Wärme darin gespeichert wird, und wenn die Brennkraftmaschine aufgewärmt wird, indem der Brennkraftmaschine das Hochtemperaturkühlwasser zugeführt wird, das in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrt wird. Infolgedessen tritt ein Problem auf, wobei die Wärme während eines Wärmespeicherbetriebs nicht mit einer hohen Effizienz gespeichert wird, und das effiziente Aufwärmen nicht ausgeführt werden kann, wenn die Brennkraftmaschine aufgewärmt werden soll.
Die DE 198 18 030 A1 offenbart ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserkreislauf zum gezwungenen Zirkulieren von Kühlwasser durch eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit einer Pumpe, einem Wärmespeicherbehälter zum Aufbewahren eines Hochtemperaturkühlwassers, das durch die Brennkraftmaschine erwärmt wurde, einem Heizkern zum Erwärmen eines Innenraums eines Fahrzeugs, und einer Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit. Die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit macht eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine beim Aufwärmen der Brennkraftmaschine durch Zuführen des in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrten Hochtemperaturkühlwassers zu der Brennkraftmaschine höher als eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine bei einem Einleiten und Aufbewahren des durch die Brennkraftmaschine erwärmten Hochtemperaturkühlwassers in dem Wärmespeicherbehälter. Des Weiteren macht die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine zu einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit, die sich zwischen der höheren Strömungsgeschwindigkeit zum Aufwärmen der Brennkraftmaschine und der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit zum Einleiten und Aufbewahren des Kühlwassers in dem Wärmespeicherbehälter befindet, wenn das durch die Maschine erwärmte Hochtemperaturkühlwasser in den Heizkern eingeleitet wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung das Kühlsystem derart weiterzubilden, dass die Durchflussmengenverteilung des Kühlwassers verbessert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Kühlsystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 und mit einem Kühlverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine hat (a) einen Kühlwasserkreislauf zum gezwungenen Zirkulieren von Kühlwasser durch eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit einer Pumpe, (b) einen Wärmespeicherbehälter zum Aufbewahren eines Hochtemperaturkühlwassers, das durch die Brennkraftmaschine erwärmt wurde, und eine Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit, die eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine beim Aufwärmen der Brennkraftmaschine durch Zuführen des in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrten Hochtemperaturkühlwassers zu der Brennkraftmaschine höher macht als eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine bei einem Einleiten und Aufbewahren des durch die Brennkraftmaschine erwärmten Hochtemperaturkühlwassers in den Wärmespeicherbehälter.
Vorzugsweise ist eine Heizeinheit zum Erwärmen des Kühlwassers in einem Kühlwasserdurchgang vorgesehen, durch den das Kühlwasser von der Brennkraftmaschine zu dem Wärmespeicherbehälter strömt.
Vorzugsweise hat die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit eine Wasserpumpe, die das Kühlwasser in dem Kühlwasserkreis strömen lässt, einen Antriebsmotor, der die Wasserpumpe antreibt, und eine Steuereinheit, die den Antriebsmotor steuert.
Das Kühlverfahren einer Brennkraftmaschine hat: den Schritt zum Bestimmen eines Ausführens einer Heißwasserheizsteuerung einer Brennkraftmaschine, den Schritt zum Bestimmen eines Ausführens einer Wärmespeichersteuerung, den Schritt zum Bestimmen eines Ausführens einer Heizbetriebsart, und den Schritt zum Variieren der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers hoch eingestellt wird, wenn in dem Heißwasserheizsteuerungsschritt bestimmt wird, dass die Heißwasserheizsteuerung der Brennkraftmaschine ausgeführt wird, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers niedrig eingestellt wird, wenn in dem Wärmespeichersteuerungsbestimmungsschritt bestimmt wird, dass die Wärmespeichersteuerung ausgeführt wird, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers mittel eingestellt wird, wenn in dem Heizbetriebsartbestimmungsschritt bestimmt wird, dass die Heizbetriebsart ausgeführt wird.
Vorzugsweise weist das Kühlverfahren einer Brennkraftmaschine auf: dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers durch den Motor, wobei der Motor die Wasserpumpe antreibt, und eine Steuereinheit variiert wird, die den Antriebsmotor steuert, wobei die Drehzahl des Antriebsmotors hoch eingestellt wird und die durch die Wasserpumpe erzeugte Strömungsgeschwindigkeit hoch wird, wenn in dem Heißwasserheizsteuerungsschritt bestimmt wird, dass die Heißwasserheizsteuerung der Brennkraftmaschine ausgeführt wird, die Drehzahl des Antriebsmotors niedrig eingestellt wird und die durch die Wasserpumpe erzeugte Strömungsrate gering wird, wenn in dem Wärmespeichersteuerungsbestimmungsschritt bestimmt wird, dass die Wärmespeichersteuerung ausgeführt wird, die Drehzahl des Antriebsmotors mittel eingestellt wird und die durch die Wasserpumpe erzeugte Strömungsrate mittel wird, wenn in dem Heißwasserheizsteuerungsschritt bestimmt wird, dass die Heizbetriebsart ausgeführt wird.
Wenn bei diesem Kühlsystem der Brennkraftmaschine die Brennkraftmaschine durch Zuführen des in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrten Hochtemperaturkühlwassers zu der Brennkraftmaschine aufgewärmt wird, erhöht die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in der Brennkraftmaschine zunimmt, steigt ein Wärmeübergangskoeffizient zwischen einer Wandfläche der Brennkraftmaschine und dem Kühlwasser, und daher wird die Wärme des Kühlwassers leichter zu der Brennkraftmaschine übertragen, wodurch die Brennkraftmaschine rasch erwärmt werden kann.
Wenn andererseits das durch die Brennkraftmaschine erwärmte Hochtemperaturkühlwasser in den Wärmespeicherbehälter eingeführt und in diesem aufbewahrt wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in der Brennkraftmaschine geringer als bei dem Aufwärmbetrieb. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers gering ist, nimmt jedoch der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wandfläche der Brennkraftmaschine und dem Kühlwasser ab und deshalb kann eine Temperatur der Brennkraftmaschine hoch gehalten werden. Ferner, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers in der Brennkraftmaschine niedrig ist, verlängert sich eine Wärmeaufnahmezeit während der das Kühlwasser die Wärme von der Brennkraftmaschine aufnimmt. Infolgedessen kann eine Temperatur des aus der Brennkraftmaschine ausfließenden Kühlwassers erhöht werden, wodurch das Kühlwasser mit einer höheren Temperatur in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrt werden kann.
Vorzugsweise kann die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit aus einer Steuereinheit zum variablen Steuern einer Abgabemenge, aus einer Pumpe mit variabler Kapazität, die in einem geschlossenen Kreis vorgesehen ist, der die Brennkraftmaschine mit dem Wärmespeicherbehälter verbindet, oder auch aus einer Steuereinheit zum Steuern eines Durchflussmengensteuerventils aufgebaut sein, das in dem geschlossenen Kreis vorgesehen ist, der die Brennkraftmaschine mit dem Wärmespeicherbehälter verbindet.
Es ist noch wünschenswerter, dass das Aufwärmen der Brennkraftmaschine, das durch Zuführen des in dem Wärmespeicherbehälter aufbewahrten Hochtemperaturkühlwassers zu der Brennkraftmaschine erreicht wird, vor einem Anlassen der Brennkraftmaschine ausgeführt wird. Dies liegt daran, weil, wenn die Brennkraftmaschine vor einem Anlassen erwärmt wird, eine Verbrennung in der Brennkraftmaschine bei einem Starten der Brennkraftmaschine danach in einen wünschenswerten Zustand eingestellt werden kann und ein Kraftstoffverbrauch und eine Emission von Abgas verbessert werden kann.
Vorzugsweise kann eine Heizeinheit zum Erhitzen des Kühlwassers auf einer Kühlwasserroute vorgesehen sein, durch die das Kühlwasser von der Brennkraftmaschine zu dem Wärmespeicherbehälter zu strömen ist. Zusätzlich zu dem Erhitzen durch Abgaswärme von der Brennkraftmaschine erhitzt diese Heizeinheit das Kühlwasser und das Kühlwasser wird daher in den Wärmespeicherbehälter eingeführt, wobei das Kühlwasser mit höherer Temperatur in den Wärmespeicherbehälter eingeführt werden kann. Was als Beispiel als die Heizeinheit angegeben ist, kann eine Verbrennungsheizeinrichtung zum Verbrennen eines Kraftstoffs in einer Brennkammer sein, die sich von der Brennkraftmaschine unterscheidet, und das Kühlwasser mit seiner Wärme erhitzt, oder eine elektrische Heizeinrichtung usw. sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Darstellung, die einen Kühlwasserkreis bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel eines Kühlsystems einer Brennkraftmaschine zeigt; und
2 ist ein Flussdiagramm, das eine Betriebssteuerroutine eines Antriebsmotors für eine zweite Wasserpumpe bei dem Ausführungsbeispiel zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlsystems einer Brennkraftmaschine wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
1 zeigt einen Kühlwasserkreis einer wassergekühlten Maschine (Brennkraftmaschine) 1, die in einem Fahrzeug montiert ist, um das Fahrzeug anzutreiben.
Die Maschine 1 hat einen sich innerhalb erstreckenden Kühlwasserdurchgang 3 und wird gekühlt, indem das Kühlwasser in diesem Kühlwasserdurchgang 3 strömt. Eine stromaufwärtige Seite des Kühlwasserdurchgangs 3 ist mit einer Abgabeseite einer ersten Wasserpumpe 5 verbunden, die durch eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) der Maschine 1 angetrieben wird, und das Kühlwasser wird durch die erste Wasserpumpe 5 dazu gezwungen, durch den Kühlwasserdurchgang 3 zu strömen.
Eine stromabwärtige Seite des Kühlwasserdurchgangs 1 in der Maschine 1 ist mit einer Saugseite der ersten Wasserpumpe 5 über einen Kühlwasserdurchgang 7, ein Thermostatventil 9 und einen Kühlwasserdurchgang 11 verbunden. Ferner ist das Thermostatventil 9 mit einem Wassereinlass eines Kühlers 15 über einen Kühlwasserdurchgang 13 verbunden. Ein Wasserauslass des Kühlers 15 ist über einen Kühlwasserdurchgang 17 mit der Saugseite der ersten Wasserpumpe 5 verbunden. Es ist zu beachten, dass sich die Kühlwasserdurchgänge 11, 17 einander begegnen und an diesem Punkt mit der Saugseite der ersten Wasserpumpe 5 verbunden sind.
Das Thermostatventil 9 dient zum Umschalten eines Strömungswegs des Kühlwassers entsprechend einer Temperatur des Kühlwassers. Wenn eine Temperatur des Kühlwassers, das durch dieses Thermostatventil 9 strömt, höher als eine vorbestimmte Temperatur T₁ ist, schließt das Thermostatventil 9 den Kühlwasserdurchgang 11 und verbindet die Kühlwasserdurchgänge 7, 13 miteinander. Wenn sie niedriger als die vorbestimmte Temperatur T₁ ist, schließt das Thermostatventil 9 den Kühlwasserdurchgang 13 und verbindet die Kühlwasserdurchgänge 7, 11 miteinander.
Deshalb, wenn die Temperatur des Kühlwassers höher als die vorbestimmte Temperatur T₁ während des Betriebs der Maschine 1 ist, zirkuliert das Kühlwasser entlang einem geschlossenen Kreis, der beispielsweise folgendermaßen ausgebildet ist: erste Wasserpumpe 5 → Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 → Kühlwasserdurchgang 7 → Thermostatventil 9 → Kühlwasserdurchgang 13 → Kühler 15 → Kühlwasserdurchgang 17 → erste Wasserpumpe 5. Dann wird das in der Maschine 1 erwärmte Kühlwasser abgekühlt, wenn es durch den Kühler 15 strömt. Andererseits, wenn die Temperatur des Kühlwassers niedriger als die vorbestimmte Temperatur T₁ während des Betriebs der Maschine 1 wird, zirkuliert das Kühlwasser entlang einem geschlossenen Kreis, der beispielsweise folgendermaßen ausgebildet ist: erste Wasserpumpe 5 → Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 → Kühlwasserdurchgang 7 → Thermostatventil 9 → Kühlwasserdurchgang 11 → erste Wasserpumpe 5. Die Strömungen des Kühlwassers entlang dieser geschlossenen Kreise sind Basisströmungen.
Ferner ist der Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 auch mit einem Kreis verbunden, der sich von dem vorstehend erklärten Kreis unterscheidet. Und zwar ist die stromabwärtige Seite des Kühlwasserdurchgangs 3 mit der ersten Wasserpumpe 5 über eine zweite Wasserpumpe 19, eine Verbrennungsheizung (Heizeinrichtung 21), einen Kühlwasserdurchgang 23, einen Kühlwasserdurchgang 23, ein Dreiwegeschaltventil 25, einen Kühlwasserdurchgang 27, einen Wärmespeicherbehälter 29, einen Kühlwasserdurchgang 31 und einen Kühlwasserdurchgang 17 verbunden. Das Kühlwasser strömt dadurch einen geschlossenen Kreis entlang, der beispielsweise folgendermaßen ausgebildet ist: erste Wasserpumpe 5 → Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 → zweite Wasserpumpe 19 → Verbrennungsheizung 21 → Kühlwasserdurchgang 23 → Dreiwegeschaltventil 25 → Kühlwasserdurchgang 27 → Wärmespeicherbehälter 29 → Kühlwasserdurchgang 31 → Kühlwasserdurchgang 17 → erste Wasserpumpe 5.
Dieser geschlossene Kreis wird verwendet, wenn das durch die Maschine 1 erhitzte Hochtemperaturkühlwasser in den Wärmespeicherbehälter 29 eingeführt wird und dieses darin aufbewahrt wird, oder wenn die Maschine 1 bei einem Start der Maschine 1 durch das in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrte Hochtemperaturkühlwasser aufgewärmt wird.
Die zweite Wasserpumpe 19 wird durch einen Elektromotor angetrieben und ist deshalb selbst vor einem Anlassen der Maschine 1 betreibbar. Im Gegensatz dazu wird die vorstehend beschriebene erste Wasserpumpe 5 durch die Kurbelwelle der Maschine 1 angetrieben und ist deshalb vor einem Anlassen nicht betreibbar. Ferner ist die zweite Wasserpumpe 19 als eine Pumpe mit variabler Kapazität klassifiziert, von der eine Abgabemenge durch die Anzahl von Umdrehungen des Antriebsmotors 20 gesteuert werden kann. Ein Starten, ein Stoppen des Antriebsmotors 20 für die zweite Wasserpumpe 19 und die Umdrehungsanzahl von dieser während ihres Betriebs werden durch eine nicht dargestellte Maschinensteuereinheit (die nachstehend als ECU abgekürzt wird) gesteuert.
Die Verbrennungsheizeinrichtung 21 ist eine Heizeinheit zum Verbrennen eines Kraftstoffs in einer Brennkammer, die sich von der Maschine 1 unterscheidet, und zum Erwärmen des Kühlwassers mit seiner Verbrennungswärme, und ein Betrieb der Verbrennungsheizeinrichtung 21 wird durch die ECU gesteuert.
Der Wärmespeicherbehälter 29 ist ein Behälter zum Aufbewahren des durch die Maschine 1 erwärmten Hochtemperaturkühlwassers und zum Speichern von dessen Wärme, und hat eine vorbestimmte Wasseraufnahmekapazität und eine vorbestimmte Wärmeisolationsleistungsfähigkeit.
Ferner ist das Dreiwegeumschaltventil 25 auch mit einem den Wärmespeicherbehälter 29 umgehenden Kühlwasserdurchgang 33 verbunden und ist mit dem Kühlwasserdurchgang 31 verbunden. Ein Heizkern 35 zum Heizen eines Innenraums eines Fahrzeugs ist auf halbem Wege des Kühlwasserdurchgangs 33 vorgesehen. Mit diesem Aufbau strömt das Kühlwasser entlang einem geschlossenen Kreis, der beispielsweise folgendermaßen ausgebildet ist: erste Wasserpumpe 5 → Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 → zweite Wasserpumpe 19 → Verbrennungsheizeinrichtung 21 → Kühlwasserdurchgang 23 → Dreiwegeumschaltventil 25 → Kühlwasserdurchgang 33 → Heizkern 35 → Kühlwasserdurchgang 31 → Kühlwasserdurchgang 17 → erste Wasserpumpe 5.
Das Dreiwegeumschaltventil 25 ist ein Ventil zum wahlweisen Verbinden des Kühlwasserdurchgangs 23 mit einem von den Kühlwasserdurchgängen 27 und 33. Ein Betrieb des Dreiwegeumschaltventils 25 wird durch die ECU gesteuert, wodurch der Strömungsweg des Kühlwassers umschaltet wird.
Anfangs, wenn ein Betriebsartwahlschalter eines nicht dargestellten Klimaanlagensystems auf eine [Heizbetriebsart] eingestellt ist, betätigt die ECU das Dreiwegeschaltventil 25, um die Kühlwasserdurchgänge 23, 33 miteinander zu verbinden, und wird der Antriebsmotor 20 für die zweite Wasserpumpe 19 bei einer voreingestellten mittleren Drehzahl N₂ betrieben. Mit dieser Betätigung strömt zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Basisströmungen des Kühlwassers ein Anteil des Kühlwassers, der von dem Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 ausströmt, entlang einem Weg, wie beispielsweise zweite Wasserpumpe 19 → Verbrennungsheizeinrichtung 21 → Kühlwasserdurchgang 23 → Dreiwegeschaltventil 25 → Kühlwasserdurchgang 33 → Heizkern 35 → Kühlwasserdurchgang 31 und wird bei dem Kühlwasserdurchgang 17 vereint, wobei die erhitzte Luft in den Fahrzeugraum geblasen wird. Zu dieser Zeit, wenn die ECU urteilt, dass eine bloß durch die Maschine 1 gegebene Wärmemenge nicht ausreichend zum Steuern einer Temperatur in dem Innenraum des Fahrzeugraums auf eine gewünschte Temperatur ist, betätigt die ECU die Verbrennungsheizeinrichtung, um das Kühlwasser aufzuwärmen, und der Mangel bei der Wärmemenge wird somit ergänzt.
Als nächstes werden Erklärungen von einem Fall gegeben, bei dem das Hochtemperaturkühlwasser in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt und die Wärme darin gespeichert wird, und von einem Fall, bei dem die Maschine 1 durch das Hochtemperaturkühlwasser aufgewärmt wird, das in dem Wärmespeicherbehälter 29 gespeichert ist, wenn die Maschine 1 gestartet wird.
Zuerst wird bei diesem Ausführungsbeispiel Wärme unmittelbar nach dem Anhalten der Maschine 1 gespeichert. Das heißt, mit einem Stoppsignal (beispielsweise einem AUS-Signal eines Zündschalters) der Maschine 1 betätigt die ECU das Dreiwegeschaltventil 25, um die Kühlwasserdurchgänge 23 und 27 miteinander zu verbinden, und der Antriebsmotor 20 für die zweite Wasserpumpe 19 wird bei einer voreingestellten niedrigeren Drehanzahl N₃ betrieben, wobei N₃ kleiner als N₂ ist (N₃ < N₂).
Aus diesem Betrieb folgt, dass das Kühlwasser entlang einem geschlossenen Kreis zurück zu dem Kühlwasserdurchgang 3 auf einer Route strömt, wie beispielsweise: Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 → zweite Wasserpumpe 19 → Verbrennungsheizeinrichtung 21 → Kühlwasserdurchgang 23 → Dreiwegeumschaltventil 25 → Kühlwasserdurchgang 27 → Wärmespeicherbehälter 29 → Kühlwasserdurchgang 31 → Kühlwasserdurchgang 17 → erste Wasserpumpe 5. Dieser Fall ist jedoch nach dem Stopp der Maschine 1 und daher wird die erste Wasserpumpe 5 nicht betrieben. Ferner arbeitet im Prinzip die Verbrennungsheizeinrichtung 21 auch nicht.
Folglich ist eine Menge des Kühlwassers, das zu dem Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömt, gleich einer Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19, wenn die zweite Wasserpumpe 19 durch den Antriebsmotor 20 angetrieben wird, der mit der Umdrehungsanzahl N₃ gedreht wird. Hier ist die Drehzahl N₃ des Antriebsmotors 20 vergleichsweise niedrig und deshalb ist die Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19 auch klein. Folglich ist eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömt, niedrig. Infolgedessen nimmt ein Wärmeübergangskoeffizient zwischen einer Wandfläche der Maschine 1, die den Kühlwasserdurchgang 3 definiert, und dem Kühlwasser ab, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 strömt, und eine Temperatur der Wandfläche der Maschine 1 kann hoch gehalten werden. Ferner ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 strömt, auf gering eingestellt, wodurch es möglich gemacht wird, eine Wärmeaufnahmezeit zu verlängern, während der das Kühlwasser die Wärme von der Wandfläche der Maschine 1 innerhalb des Kühlwasserdurchgangs 3 aufnimmt. Infolgedessen kann die Temperatur des Kühlwassers erhöht werden, das aus dem Kühlwasserdurchgang 3 ausströmt, wodurch das Kühlwasser mit höherer Temperatur in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt werden kann und die Wärme darin gespeichert werden kann.
Darüber hinaus, wenn beispielsweise die Temperatur des Kühlwassers aufgrund eines Betriebszustands der Maschine vor einem Stoppen der Maschine und aufgrund der Dauer der Heizbetriebsart bis unmittelbar vor dem Stopp der Maschine abnimmt, betätigt die ECU, wenn sie urteilt, dass die Kühlwassertemperatur, die durch einen nicht dargestellten Wassertemperatursensor 1 erfasst wird, geringer als eine vorbestimmte Temperatur ist, die Verbrennungsheizeinrichtung 21, um das Kühlwasser auch während einer Dauer dieser Wärmespeicherung zu erhitzen. Das Kühlwasser kann dabei in dem Wärmespeicherbehälter 29 eingeführt werden, während es durch die Verbrennungsheizeinrichtung 21 erwärmt wird, und es ist deshalb möglich, das Kühlwasser mit höherer Temperatur als der vorbestimmten Temperatur in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufzubewahren und die Wärme von diesem zu speichern, und zwar in einer kurzen Zeit, unabhängig von einer Umgebungstemperatur, von Fahrzeugbewegungsbedingungen vor dem Anhalten der Maschine und unabhängig davon, ob das Heizen ausgeführt wird oder nicht.
Ferner sind der Kühlwasserdurchgang 3, die zweite Wasserpumpe 19, die Verbrennungsheizeinrichtung 21 und der Wärmespeicherbehälter 29 in Abfolge in einer Strömungsrichtung des Kühlwassers angeordnet. Daher, selbst wenn das Kühlwasser zu dem Wärmespeicherbehälter 29 geführt und in diesem aufbewahrt wird, während es durch die Verbrennungsheizeinrichtung 21 erwärmt wird, strömt das Kühlwasser immer ohne Unterbrechungen in eine Wärmetauschereinheit innerhalb der Verbrennungsheizeinrichtung 21, mit der Folge, dass die Verbrennungsheizeinrichtung 21 niemals unnormal erhitzt wird. Und zwar kann wegen der vorstehenden Anordnung dieser Komponenten ein Überhitzen der Verbrennungsheizeinrichtung 21 sicher verhindert werden.
Als nächstes wird das Aufwärmen beim Starten der Maschine erklärt. Wenn die Maschine 1 gestartet wird, betätigt die ECU das Dreiwegeumschaltventil 25, um die Kühlwasserdurchgänge 23 und 27 miteinander zu verbinden, bevor die Maschine angelassen wird. Gleichzeitig wird der Antriebsmotor 20 für die zweite Wasserpumpe 19 mit einer größeren voreingestellten Drehzahl N₁ betätigt, wobei N₁ größer als N₂ ist (N₂ < N₁).
Aus dieser Betätigung folgt, dass das Kühlwasser entlang einem geschlossenen Kreis zurück zu dem Wärmespeicherbehälter 29 auf einer Route strömt, wie beispielsweise: Wärmespeicherbehälter 29 → Kühlwasserdurchgang 31 → Kühlwasserdurchgang 17 → erste Wasserpumpe 5 → Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 → zweite Wasserpumpe 19 → Verbrennungsheizeinrichtung 21 → Kühlwasserdurchgang 23 → Dreiwegeumschaltventil 25 → Kühlwasserdurchgang 27. Hier sind der Kühlwasserdurchgang 3, die zweite Wasserpumpe 19, die Verbrennungsheizeinrichtung 21 und der Wärmespeicherbehälter 29 in Abfolge in dieser Reihenfolge in der Strömungsrichtung des Kühlwassers angeordnet. Deshalb wird anfangs das Hochtemperaturkühlwasser, das in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt wird, dem Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 zugeführt und anschließend wird das Kühlwasser, das durch die Verbrennungsheizeinrichtung 21 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt wird, dem Kühlwasserdurchgang 3 zugeführt. Folglich kann die Maschine 1 mit einer hohen Effizienz aufgewärmt werden.
Ferner befindet sich die Maschine 1 in einem Zustand vor einem Anlassen und daher wird die erste Wasserpumpe 5 nicht betätigt. Deshalb ist die Menge des zu dem Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömenden Kühlwassers gleich der Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19, wenn die zweite Wasserpumpe 19 durch den Antriebsmotor 20 angetrieben wird, der mit der Drehzahl N₁ gedreht wird. Hier ist die Drehzahl N₁ des Antriebsmotors 20 vergleichsweise hoch und deshalb ist die Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19 ebenfalls hoch. Folglich nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömt, auch zu. Infolgedessen steigt der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Wandfläche der Maschine 1, die den Kühlwasserdurchgang 3 definiert, und dem Kühlwasser, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 strömt, mit dem Ergebnis, dass die Wärme des Kühlwassers leichter zu der Wandfläche der Maschine 1 zu übertragen ist. Infolgedessen kann die Maschine 1 rasch aufgewärmt werden, wobei ein frühzeitiges Aufwärmen erreicht werden kann.
Dann, nach einem Beenden des Aufwärmens der Maschine 1, betätigt die ECU das Dreiwegeumschaltventil 25, um die Kühlwasserdurchgänge 23 und 33 miteinander zu verbinden, und stoppt den Antriebsmotor 20 für die zweite Wasserpumpe 19. Gleichzeitig wird die Maschine 1 in einen Anlasszustand gesetzt, indem ein nicht dargestellter Anlasser automatisch betätigt wird. Es ist zu beachten, dass eine Beurteilung der Beendigung des Aufwärmens von dieser gemacht werden kann, wenn beispielsweise eine Betriebszeit der zweiten Wasserpumpe 19 eine vorbestimmte Zeit erreicht.
Daher wird die Maschine 1 vor einem Anlassen aufgewärmt, so dass ein guter Verbrennungszustand in der Brennkammer der Maschine 1 erreicht wird, wenn die Maschine 1 gestartet wird. Ein Kraftstoffverbrauch bei dem Start der Maschine kann verbessert werden und eine wünschenswerte Emission des Abgases bei dem Start der Maschine kann ebenfalls erreicht werden.
Darüber hinaus, selbst wenn die Heizbetriebsart bei dem Start der Maschine eingestellt ist, kann eine Abnahme bei einer Temperatur des Kühlwassers aufgrund einer Abstrahlung in dem Heizkern 35 mit einem Erwärmen des Kühlwassers durch Betreiben der Verbrennungsheizeinrichtung 21 ergänzt werden. Daher kann das sofortige Aufwärmen unmittelbar nach dem Starten erzielt werden, ohne den Verbrennungszustand der Maschine 1 zu verschlechtern.
Als nächstes wird die Betriebssteuerung des Antriebsmotors 20 für die zweite Wasserpumpe 19 in Verbindung mit einem Flussdiagramm in 2 erklärt.
Das Flussdiagramm in 2 zeigt eine Betriebssteuerroutine des Antriebsmotors 20, die wiederholtermaßen durch die ECU bei einem Intervall von einer vorbestimmten Zeit ausgeführt wird. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel führt die ECU die Betriebssteuerroutine des Antriebsmotors 20 aus, wodurch eine Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit der Erfindung aktualisiert wird.
<Schritt 101>
Zu Beginn beurteilt die ECU bei Schritt 101, ob die Ausführung einer [Maschinenheißwasserheizsteuerung] eines Erhitzens der Maschine 1 mit dem Hochtemperaturheißwasser, das in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt wird, gegeben ist oder nicht.
<Schritt 102>
Wenn bei Schritt 101 ein positives Ergebnis geurteilt wird, geht die ECU zu Schritt 102 weiter, wobei der Antriebsmotor 20 für die zweite Wasserpumpe 19 mit der hohen Drehzahl N₁ gedreht wird und die Ausführung dieser Routine wird vorläufig beendet. Wie es vorstehend diskutiert ist, wird die Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19 dadurch erhöht und deshalb nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers zu, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömt. Die Maschine 1 kann deshalb rasch aufgewärmt werden.
<Schritt 103>
Wenn bei Schritt 101 ein negatives Ergebnis geurteilt wird, geht die ECU zu Schritt 103 weiter, bei dem das Hochtemperaturkühlwasser, das durch die Maschine 1 aufgewärmt wurde, in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt wird, während seine Wärme darin gespeichert wird.
<Schritt 104>
Wenn bei Schritt 103 ein positives Ergebnis geurteilt wird, geht die ECU zu Schritt 104 weiter, wobei der Antriebsmotor 20 für die zweite Wasserpumpe 19 mit der niedrigen Umdrehungsanzahl N₃ gedreht wird und die Ausführung dieser Routine wird vorläufig beendet. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird die Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19 dadurch verringert und deshalb nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers ab, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömt. Die Temperatur des Kühlwassers, das aus dem Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 ausströmt, kann deshalb angehoben werden und die Wärme des Hochtemperaturkühlwassers kann in dem Wärmespeicherbehälter 29 gespeichert werden.
<Schritt 105>
Wenn bei Schritt 103 ein negatives Ergebnis geurteilt wird, geht die ECU zu Schritt 105 weiter und beurteilt, ob der Betriebsartwählschalter des Klimaanlagensystems auf die [Heizbetriebsart] eingestellt ist oder nicht.
<Schritt 106>
Wenn bei Schritt 105 ein positives Ergebnis geurteilt wird, betreibt die ECU den Antriebsmotor für die zweite Wasserpumpe 19 mit der mittleren Drehzahl N₂ und die Ausführung dieser Routine wird vorläufig beendet.
<Schritt 107>
Im Gegensatz dazu, wenn bei Schritt 105 ein negatives Ergebnis geurteilt wird, stoppt die ECU die zweite Wasserpumpe 19 und beendet die Ausführung dieser Routine vorläufig. Bei diesem Vorgang strömt das Kühlwasser weder zu dem Wärmespeicherbehälter 29, noch zu dem Heizkern 35.
<Andere Ausführungsbeispiele>
Bei dem vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiel wird die Maschine 1 bei dem Start der Maschine 1 durch das Hochtemperaturkühlwasser aufgewärmt, das in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt wird, indem die Verbrennungsheizeinrichtung 21 betrieben wird, während das Kühlwasser erwärmt wird. Wenn die Maschine 1 ausreichend aufgewärmt ist, indem dem Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 das Hochtemperaturkühlwasser zugeführt wird, das in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrt wird, kann jedoch die Verbrennungsheizeinrichtung 29 nicht betrieben werden.
Ferner wird bei dem vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiel der [Wärmespeichervorgang] eines Einführens des Hochtemperaturkühlwassers, das durch die Maschine 1 erhitzt wurde, in den Wärmespeicherbehälter 29 und Speichern seiner Wärme darin unmittelbar nach dem Anhalten der Maschine 1 ausgeführt. Der Wärmespeichervorgang kann jedoch während des Betriebs der Maschine 1 ausgeführt werden. Bei dieser Gelegenheit kann auch die Wärme während eines Aufwärmens des Kühlwassers durch Betreiben der Verbrennungsheizeinrichtung 21 gespeichert werden, wenn der Bedarf auftritt.
Bei dem vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiel ist die Betriebsart, die Abgabemenge der zweiten Wasserpumpe 19 durch ein Ändern der Drehzahl des Antriebsmotors 20 variabel zu machen, als eine Betriebsart angepasst, die die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers ändert, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 strömt. Anstelle dieser Betriebsart ist jedoch beispielsweise ein Durchflussmengensteuerventil auf halbem Wege des Kühlwasserdurchgangs 31 vorgesehen und kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 strömt, durch Steuern dieses Durchflussmengensteuerventils gesteuert werden, ohne die Drehzahl des Antriebsmotors 20 für die zweite Wasserpumpe 19 zu ändern.
Darüber hinaus wird bei dem vorstehend diskutierten Ausführungsbeispiel die Kurbelwelle der Maschine 1 als die Antriebsquelle der ersten Wasserpumpe verwendet. Wenn jedoch die erste Wasserpumpe 5 durch den Elektromotor angetrieben wird und als eine Pumpe mit variabler Kapazität aufgebaut ist, die dazu im Stande ist, die Abgabemenge durch Ändern der Drehzahl des Elektromotors variabel zu machen, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 strömt, durch Ändern der Drehzahl des Antriebsmotors für die erste Wasserpumpe 5 geändert werden, und deshalb kann die zweite Wasserpumpe 19 unnötig gemacht werden.
Alternativ, wenn eine Vorrichtung diejenige ist, dass die erste Wasserpumpe 5 durch den Elektromotor angetrieben wird und dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers, das durch den Kühlwasserdurchgang 3 strömt, geändert wird, indem, wie es vorstehend erklärt ist, das Durchflussmengensteuerventil gesteuert wird, kann die zweite Wasserpumpe 19 gleichfalls unnötig gemacht werden.
Ein System und Verfahren zum Kühlen einer Brennkraftmaschine hat einen Wärmespeicherbehälter, wobei ein Strömungsweg durch ein Dreiwegeschaltventil 25 so umgeschaltet wird, dass das Kühlwasser vor einem Anlassen bei einem Start einer Maschine 1 aus einer Verbrennungsheizeinrichtung 21 zu einem Wärmespeicherbehälter 29 strömt, und eine Abgabemenge einer zweiten Wasserpumpe 19 erhöht wird, indem ein Antriebsmotor für eine zweite Wasserpumpe 19 mit einer hohen Drehzahl gedreht wird, wodurch es ermöglicht wird, dass die Maschine 1 bei dem Start der Maschine 1 rasch aufgewärmt wird. Mit dieser Vorrichtung strömt das in dem Wärmespeicherbehälter 29 aufbewahrte Hochtemperaturkühlwasser mit einer hohen Geschwindigkeit durch einen Kühlwasserdurchgang 3 der Maschine 1 und ein Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Kühlwasser und einer Wandfläche der Maschine 1 nimmt zu, wodurch die Maschine 1 rasch aufgewärmt wird.

Claims

Kühlsystem einer Brennkraftmaschine (1) mit: a) einem Kühlwasserkreislauf zum gezwungenen Zirkulieren von Kühlwasser durch eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit einer Pumpe (19); b) einem Wärmespeicherbehälter (29) zum Aufbewahren eines Hochtemperaturkühlwassers, das durch die Brennkraftmaschine (1) erwärmt wurde; c) einem Heizkern (35) zum Erwärmen eines Innenraums eines Fahrzeugs, und d) einer Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit, die eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine beim Aufwärmen der Brennkraftmaschine (1) durch Zuführen des in dem Wärmespeicherbehälter (29) aufbewahrten Hochtemperaturkühlwassers zu der Brennkraftmaschine (1) höher macht, als eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine (1) bei einem Einleiten und Aufbewahren des durch die Brennkraftmaschine (1) erwärmten Hochtemperaturkühlwassers in den Wärmespeicherbehälter (29) wobei die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers innerhalb der Brennkraftmaschine (1) zu einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit macht, die sich zwischen der höheren Strömungsgeschwindigkeit zum Aufwärmen der Brennkraftmaschine (1) und der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit zum Einleiten und Aufbewahren des Kühlwassers in dem Wärmespeicherbehälter (29) befindet, wenn das durch die Maschine (1) erwärmte Hochtemperaturkühlwasser in den Heizkern (35) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlwasser nur mit der mittleren Geschwindigkeit in den Heizkern (35) eingeleitet wird.
Kühlsystem einer Brennkraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, wobei eine Heizeinheit (21) zum Erwärmen des Kühlwassers in einem Kühlwasserdurchgang (23) vorgesehen ist, durch den das Kühlwasser von der Brennkraftmaschine (1) zu dem Wärmespeicherbehälter (29) strömt.
Kühlsystem einer Brennkraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Kühlwasserströmungsgeschwindigkeitserhöhungseinheit einen Motor (20), der die Wasserpumpe (19) antreibt, und eine Steuereinheit aufweist, die den Antriebsmotor (20) steuert.
Kühlverfahren einer Brennkraftmaschine (1) mit: einem Schritt (101) zum Bestimmen eines Ausführens einer Heißwasserheizsteuerung einer Brennkraftmaschine, bei der Wärme von dem Wärmespeicherbehälter (29) zu der Brennkraftmaschine (1) übertragen wird, einem Schritt (103) zum Bestimmen eines Ausführens einer Wärmespeichersteuerung, bei der Wärme von der Brennkraftmaschine (1) zu dem Wärmespeicherbehälter (29) übertragen wird, einem Schritt (105) zum Bestimmen eines Ausführens einer Heizbetriebsart, bei der Wärme von der Brennkraftmaschine (1) zu einem Heizkern (35) übertragen wird, und einem Schritt zum Variieren der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers (102, 104, 106), wobei eine Strömungsrate des Kühlwassers hoch eingestellt wird, wenn in dem Heißwasserheizsteuerungsschritt (101) bestimmt wird, dass die Heißwasserheizsteuerung der Brennkraftmaschine ausgeführt wird, eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers niedrig eingestellt wird, wenn in dem Wärmespeichersteuerungsbestimmungsschritt (103) bestimmt wird, dass die Wärmespeichersteuerung ausgeführt wird, eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers mittel eingestellt wird, wenn in dem Heizbetriebsartbestimmungsschritt (105) bestimmt wird, dass die Heizbetriebsart ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme nur zu dem Heizkern (35) übertragen wird, wenn die Heizbetriebsart ausgeführt wird.
Kühlverfahren einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, wobei eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers durch einen Motor (20), der die Wasserpumpe (19) antreibt, und eine Steuereinheit variiert wird, die den Antriebsmotor (20) steuert, eine Drehzahl des Antriebsmotors (20) hoch eingestellt wird und die durch die Wasserpumpe (19) erzeugte Strömungsgeschwindigkeit hoch wird, wenn in dem Heißwasserheizsteuerungsschritt (101) bestimmt wird, dass die Heißwasserheizsteuerung der Brennkraftmaschine ausgeführt wird, eine Drehzahl des Antriebsmotors (20) niedrig eingestellt wird und die durch die Wasserpumpe (19) erzeugte Strömungsrate gering wird, wenn in dem Wärmespeichersteuerungsbestimmungsschritt (103) bestimmt wird, dass die Wärmespeichersteuerung ausgeführt wird, eine Drehzahl des Antriebsmotors (20) mittel eingestellt wird und die durch die Wasserpumpe (19) erzeugte Strömungsrate mittel wird, wenn in dem Heizbetriebsartbestimmungsschritt (105) bestimmt wird, dass die Heizbetriebsart ausgeführt wird.