EP1133623A1 - Kühlkreislauf - Google Patents

Kühlkreislauf

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EP1133623A1
EP1133623A1 EP99956017A EP99956017A EP1133623A1 EP 1133623 A1 EP1133623 A1 EP 1133623A1 EP 99956017 A EP99956017 A EP 99956017A EP 99956017 A EP99956017 A EP 99956017A EP 1133623 A1 EP1133623 A1 EP 1133623A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
cooling circuit
line
radiator
motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99956017A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Altvater
Walter Marte
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/04—Features relating to lubrication or cooling or heating
    • F16H57/0412—Cooling or heating; Control of temperature
    • F16H57/0413—Controlled cooling or heating of lubricant; Temperature control therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/165—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control characterised by systems with two or more loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P5/00—Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • F01P2005/105—Using two or more pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/04—Lubricant cooler
    • F01P2060/045—Lubricant cooler for transmissions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/06—Retarder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/08—Cabin heater

Definitions

  • the present invention relates to a cooling circuit for driving motor vehicles with a discharge line that connects the drive motor to at least one radiator, with a supply line that connects the radiator with the drive motor, with a thermostat inserted into the discharge line, and with one inserted into the supply line Circulation pump.
  • Coolant usually water
  • the coolant flows through the engine under the influence of a circulation pump and then passes through the thermostat, which supplies the coolant at a correspondingly high temperature to a radiator, in which the coolant is cooled by the air entering during the journey or supplied by a fan, after which it is assisted a circulation pump is returned to the engine.
  • the thermostat ensures that the coolant is fed back to the engine without flowing through the radiator.
  • a second radiator can be provided, the fan wheel of which is insufficiently cooled by the first radiator via a thermal Statschalter is switched on, so as to increase the cooling of the coolant.
  • the cooled water flowing through the two radiators is in turn fed to the drive motor to be cooled via the circulation pump.
  • a heat exchanger is often inserted into the cooling circuit before or after the motor. The temperature of the coolant
  • thermostat which regulates the coolant flow to the radiator and a bypass. With this regulation, the excess power loss is fed to the radiator.
  • the thermostat is often only partially open, which reduces the effect of the radiator.
  • the known type of installation of the heat exchanger takes the needs of the engine into account very well, but cannot be designed for the needs of a transmission and / or a retarder.
  • the transmission oil temperatures are permanently stable in transmissions with retarders only above certain temperatures.
  • the object of the present invention is to propose a cooling circuit in which the concerns of the transmission and / or retarder are taken into account in an optimal manner.
  • the proposal according to the invention to install the heat exchanger on the radiator side together with an associated circulating pump allows the coolant flow through the heat exchanger to be increased independently of the engine coolant flow and thus to be adapted to the gearbox requirements.
  • the transmission oil sump temperature can be set largely independently of the engine coolant temperature; this leads to a
  • the transmission loss power (i.e. the radiator power loss), which occurs cyclically or acyclically to the engine speed, can also be dissipated at engine idling speeds;
  • the circulation pump for the engine coolant can be designed for the needs of the engine cooling circuit, which enables a reduction in pump performance and a reduction in consumption;
  • the heat exchanger can be in one favorable operating point can be operated and thereby be designed smaller;
  • the heat exchanger can be integrated into the transmission housing, which saves further costs;
  • the coolant pump of the heat exchanger can act as an additional coolant pump when the thermostat is closed;
  • FIG. 1 shows an inventive cooling circuit of the series design
  • FIG. 2 shows a cooling circuit according to the invention of the design in parallel
  • Figure 3 shows an inventive cooling circuit of the series version.
  • FIG. 4 shows a cooling circuit according to the invention of an embodiment with a bypass.
  • 1 denotes the drive motor of a motor vehicle to be cooled, the power loss of which is designated Pvmot.
  • the discharge line of the motor is designated 3 and the usual thermostat 4, which supplies the coolant, generally water, heated to a corresponding temperature to a first cooler 6, from which it is supplied to the motor via the supply line 8 with the aid of a circulation pump 2 1 is fed back in a closed circuit.
  • the coolant generally water
  • the gear assigned to the motor is also designated 14, the power loss of which is designated P vge t, the converter, not shown, often assigned to the gear having a power loss of P VW and; 15 denotes the retarder assigned to the transmission, the power loss of which is designated P V retar is.
  • Transmission 14 and retarder 15 are also cooled by a coolant, the heated coolant, preferably oil, being fed in line 16 to a heat exchanger 10, which is used on the radiator side in the cooling circuit for the drive motor and which is used on the one hand by the Feed line 8 for the engine is penetrated and on the other hand by the discharge line 16 for gearbox and retarder.
  • the coolant for the gearbox and retarder emerging from the heat exchanger 10 flows through a line 12 and is returned to the gearbox 14 and the retarder 15 with the aid of a circulation pump 13.
  • a circulation pump 11 is provided behind the heat exchanger 10, viewed in the direction of flow, which flows into a connecting line
  • the heat exchanger is therefore arranged in front of the engine and on the one hand is penetrated by the supply line 8 for the engine, in which the coolant cooled by the radiator 6, possibly with the radiator 7 connected, flows in the direction of the engine 1.
  • the heat exchanger 10 is penetrated by the line 16, in which the coolant heated by the transmission and retarder flows.
  • the heat exchanger 10 is in turn penetrated on the one hand by the line 16 in which the coolant heated by the transmission 14 and by the retarder 15 flows; here, however, the heat exchanger 10 is used together with the circulation pump 11 in the connecting line 8 'between the feed line 8 to the drive motor and its discharge line 3.
  • the heat exchanger is also inserted in the cooling circuit before the drive motor.
  • the circulation pump 11 is here between the radiator 6 and the circulation pump 2 for the motor 1, i. H. used in the flow direction upstream of the heat exchanger in the supply line 8.
  • the heat exchanger 10 is penetrated by the transmission line 16 or retarder 15 through the discharge line 16.
  • the circulation pump 11 is omitted compared to FIG. 3.
  • the thermostat 4 can be bypassed with a bypass 20.
  • the coolant flow through the heat exchanger can be increased independently of the engine coolant flow; this type of cooling circuit is particularly suitable for commercial vehicles such as buses.

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Abstract

Der Kühlkreislauf für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Omnibussen, weist eine Abfuhrleitung auf, die den Antriebsmotor mit mindestens einem Radiator verbindet, eine Zufuhrleitung, die den Radiator mit dem Antriebsmotor verbindet, einen in die Abfuhrleitung eingesetzten Thermostaten und eine in die Zufuhrleitung eingesetzte Umwälzpumpe. Auf der Seite des Radiators (6) ist ein Wärmetauscher (10) vorgesehen, dem eine Umwälzpumpe (11) zugeordnet ist, wobei der Wärmetauscher einerseits von der Zufuhrleitung (8, 8') für den Motor (1) durchsetzt wird und andererseits von einer mit dem Getriebe (14) und ggf. dem Radiator (15) des Antriebs verbundene Leitung (16) durchsetzt wird.

Description

Kühlkreislauf
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit einer Abfuhrleitung, die den Antriebsmotor mit mindestens einem Radiator verbindet, mit einer Zufuhrleitung, die den Radiator mit dem Antriebsmotor verbindet, mit einem in die Abfuhrleitung eingesetzten Thermostaten und mit einer in die Zufuhrleitung eingesetzten Umwälzpumpe.
Mit Verbrennungsmotoren betriebene Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise einen mit Kühlmittel, üblicherweise Wasser, arbeitenden Kühlkreislauf auf, um den Antriebsmotor auf seine optimale Temperatur in der Grössenordnung von 85 °C zu halten. Das Kühlmittel durchfliesst unter dem Einfluss einer Umwälzpumpe den Motor und durchsetzt danach den Thermostaten, der das Kühlmittel bei entsprechend hoher Temperatur einem Radiator zuführt, in dem das Kühlmittel durch die während der Fahrt eindringende oder durch einen Lüfter zugeführte Luft abgekühlt wird, wonach es mit Hilfe einer Umwälzpumpe wieder zum Motor zurückgeführt wird. Solange das Kühlmittel unter einer vorgegebenen Temperatur liegt, sorgt der Thermostat dafür, dass das Kühlmittel ohne Durch- fliessen des Radiators unmittelbar dem Motor wieder zugeführt wird.
Für besonders hohe Belastungen, z. B. bei einer Bergauffahrt mit geringer Geschwindigkeit, kann ein zweiter Radia- tor vorgesehen sein, dessen Lüfterrad bei nicht ausreichender Kühlung durch den ersten Radiator über einen Thermo- statschalter zugeschaltet wird, um so die Abkühlung des Kühlmittels zu verstärken. Das die beiden Radiatoren durch- fliessende abgekühlte Wasser wird über die Umwälzpumpe wiederum dem zu kühlenden Antriebsmotor zugeführt.
Bei Antriebsmotoren mit Getrieben oder anderen Komponenten mit Verlustleistungen, deren Verlustleistung als Wärme über den Kühlkreislauf für den Antrieb abgeführt wird, wird oftmals ein Wärmetauscher vor oder nach dem Motor in den Kühl- kreislauf eingesetzt. Die Temperatur des Kühlmittels des
Motors wird dabei durch den Thermostaten, der den Kühlmittelstrom zum Radiator und einen Bypass regelt, stabilisiert. Bei dieser Regelung wird die überschüssige Verlustleistung dem Radiator zugeführt.
Oftmals ist der Thermostat nur teilweise geöffnet, wodurch die Wirkung des Radiators verringert wird. Die bekannte Einbauart des Wärmetauschers berücksichtigt die Belange des Motors bestens, kann jedoch nicht auf die Belange eines Getriebes und/oder eines Retarders ausgelegt werden. Die Getriebeöltemperaturen sind bei Getrieben mit Retardern erst oberhalb bestimmter Temperaturen dauerstabil.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlkreis- lauf vorzuschlagen, bei dem die Belange des Getriebes und/oder Retarders in optimaler Weise berücksichtigt werden.
Ausgehend von einem Kühlkreislauf der eingangs näher ge- nannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch den erfindungsgemässen Vorschlag, den Wärmetauscher auf der Radiatorseite zusammen mit einer zugeordneten Umwälzpumpe einzubauen, lässt sich der Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher unabhängig vom Motorkühlmittelstrom ver- grössern und dadurch an die Getriebebelange anpassen.
Die Erfindung bietet insbesondere folgende Vorteile:
Die Getriebeölsumpftemperatur kann weitgehend unabhängig von der Motorkühlmitteltemperatur eingestellt werden; dies führt zu einer
- Verringerung des Kraftstoffverbrauches durch erhöhte Motorkühlmitteltemperatur
- Verringerung von Schadstoffen durch eine konstantere Motorkühlmitteltemperatur - Verkleinerung des Radiators durch eine höhere
Motorkühlmitteltemperatur und dadurch Kosteneinsparung;
- die Getriebeverlustleistung (d. h. die Radiatorverlustleistung) , die zyklisch oder azyklisch zur Motordrehzahl auftritt, kann auch bei Motorleerlaufdrehzahlen abgeführt werden;
- die Umwälzpumpe für das Motorkühlmittel kann auf die Belange des Motorkühlkreislaufes ausgelegt werden, wodurch eine Verringerung der Pumpenleistung und eine Verbrauchsreduktion ermöglicht wird; - durch den vom Getriebe aus steuerbaren Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher kann der Wärmetauscher in einem günstigen Betriebspunkt betrieben werden und dadurch kleiner ausgelegt werden;
- bei entsprechenden Kühlmittelströmen kann der Wärmetauscher in das Getriebegehäuse integriert werden, wodurch weitere Kosten eingespart werden;
- auch im Leerlauf können grosse Wärmeleistungen aus dem Getriebe abgeführt werden;
- in der Ausführungsform Serie/Bypass kann die Kühlmittelpumpe des Wärmetauschers bei geschlossenem Thermostat als zusätzliche Kühlmittelpumpe wirken;
- diese Redundanz der Kühlmittelpumpen erhöht die Systemzuverlässigkeit insgesamt und die Spitzenleistung des Kühlsystems (so kühlt der Motor im Leerlauf nach Bergfahrten schneller ab) .
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen
Figur 1 einen erfindungsgemässen Kühlkreislauf der Ausführung Serie,
Figur 2 einen erfindungsgemässen Kühlkreislauf der Ausführung parallel, und
Figur 3 einen erfindungsgemässen Kühlkreislauf der Ausführung Serie.
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf einer Ausfüh- rung mit Bypass. In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. So bezeichnet 1 den zu kühlenden Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges, dessen Verlustleistung mit Pvmot bezeichnet ist. Die Abfuhrleitung des Motors ist mit 3 be- zeichnet und der übliche Thermostat mit 4, der das auf eine entsprechende Temperatur erhitzte Kühlmittel, im allgemeinen Wasser, einem ersten Kühler 6 zuführt, von dem es über die Zufuhrleitung 8 mit Hilfe einer Umwälzpumpe 2 dem Motor 1 im geschlossenen Kreislauf wieder zugeführt wird. Bis der Motor 1 seine Betriebstemperatur erreicht hat, sorgt der
Thermostat dafür, dass das noch nicht ausreichend erwärmte Kühlmittel dem Motor über die Leitung 20 wieder zugeführt wird, ohne dass es den Radiator 6 durchsetzt.
Mit 5 ist in den Figuren ferner ein Thermostatschalter für die Zuschaltung eines zweiten Radiators 7 bezeichnet, der für den Fall vorgesehen ist, dass die Kühlleistung des ersten Radiators 6 nicht ausreicht.
Mit 17 ist die übliche Heizung für das Kraftfahrzeug bezeichnet, die von einer parallel zur Abfuhrleitung 3 verlaufenden Heizleitung 19 und einer Umwälzpumpe 18 gespeist wird. Mit 9, 9' , 9' ' sind Rückschlagventile in den einzelnen Kühlmittelleitungen bezeichnet.
In den Figuren ist ferner das dem Motor zugeordnete Getriebe mit 14 bezeichnet, dessen Verlustleistung mit Pvget bezeichnet ist, wobei der nicht dargestellte, oftmals dem Getriebe zugeordnete Wandler eine Verlustleistung von PVWand aufweist; mit 15 ist der dem Getriebe zugeordnete Retarder bezeichnet, dessen Verlustleistung mit PVretar bezeichnet ist. Getriebe 14 und Retarder 15 werden ebenfalls durch ein Kühlmittel gekühlt, wobei das erwärmte Kühlmittel, vorzugsweise Öl, in der Leitung 16 einem Wärmetauscher 10 zugeführt wird, der auf Seiten des Radiators in den Kühlkreis- lauf für den Antriebsmotor eingesetzt ist und der einerseits von der Zufuhrleitung 8 für den Motor durchsetzt wird und andererseits von der Abfuhrleitung 16 für Getriebe und Retarder. Das aus dem Wärmetauscher 10 austretende Kühlmittel für Getriebe und Retarder durchströmt eine Leitung 12 und wird mit Hilfe einer Umwälzpumpe 13 dem Getriebe 14 und dem Retarder 15 wieder zugeführt.
Wie Figur 1 erkennen lässt, ist in Strömungsrichtung gesehen, hinter dem Wärmetauscher 10 eine diesem zugeordnete Umwälzpumpe 11 vorgesehen, die in eine Verbindungsleitung
8' eingesetzt ist, zusammen mit einem Rückschlagventil 9'', wobei diese Verbindungsleitung 8' die Zufuhrleitung 8 für den Antriebsmotor mit dessen Abfuhrleitung 3 verbindet. Bei dieser Ausführungsform Serie ist also der Wärmetauscher vor dem Motor angeordnet und wird einerseits von der Zufuhrleitung 8 für den Motor durchsetzt, in der das durch den Radiator 6 gegebenenfalls unter Zuschaltung des Radiators 7 abgekühlte Kühlmittel in Richtung Motor 1 fliesst. Andererseits wird der Wärmetauscher 10 von der Leitung 16, in der das vom Getriebe und Retarder erhitzte Kühlmittel fliesst, durchsetzt.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Ausführungsform parallel wird der Wärmetauscher 10 wiederum einerseits von der Leitung 16 durchsetzt, in welcher das vom Getriebe 14 und vom Retarder 15 erhitzte Kühlmittel fliesst; hierbei ist jedoch der Wärmetauscher 10 zusammen mit der Umwälzpumpe 11 in der Verbindungsleitung 8' zwischen der Zufuhrleitung 8 zum Antriebsmotor und dessen Abfuhrleitung 3 eingesetzt.
Auch bei der in Figur 3 schematisch dargestellten Ausführungsform Serie ist der Wärmetauscher vor dem Antriebsmotor in den Kühlkreislauf eingesetzt. Die Umwälzpumpe 11 ist hierbei zwischen dem Radiator 6 und der Umwälzpumpe 2 für den Motor 1, d. h. in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher in die Zufuhrleitung 8 eingesetzt. Wie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wird auch hier der Wärmetauscher 10 andererseits durch die Abfuhrleitung 16 vom Getriebe 14 bzw. Retarder 15 durchsetzt.
Bei der Figur 4 dargestellten Ausführungsform entfällt gegenüber Figur 3 die Umwälzpumpe 11. Der Thermostat 4 kann jedoch in der gezeigten Ausführungsform mit einem Bypass 20 umgangen werden.
Durch den Einbau des Wärmetauschers zusammen mit einer Umwälzpumpe auf der Radiatorseite lässt sich also der Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher unabhängig vom Motorkühlmittelstrom vergrössern; diese Art von Kühlkreislauf eignet sich insbesondere für Nutzfahrzeuge wie Omnibusse.
Es lassen sich im Kühlkreislauf unterschiedliche Temperaturniveaus erreichen; hohe Temperatur für den Motor, niedrige Temperatur für das Getriebe. Es läßt sich eine sehr kostengünstige Anordnung erreichen, die auch an ein Fahrzeug nachrüstbar ist. Bezugszeichenliste
I Motor 2 Umwälzpumpe
3 Abfuhrleitung
4 Thermostat
5 Thermostatschalter
6 Radiator 7 Radiator
8, 8' Zufuhrleitung
9, 9', 9'' Rückschlagventile 10 Wärmetauscher
II Umwälzpumpe 12 Leitung
13 Umwälzpumpe
14 Getriebe
15 Retarder
16 Leitung 17 Heizung
18 Umwälzpumpe
19 Leitung
20 Bypass

Claims

Patentansprüche
1. Kühlkreislauf für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einer Abfuhrleitung, die den Antriebsmotor mit mindestens einem Radiator verbindet, mit einer Zufuhrleitung, die den Radiator mit dem Antriebsmotor verbindet, mit einem in die Abfuhrleitung eingesetzten Thermostaten und mit einer in die Zufuhrleitung eingesetzten Umwälzpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite des Radiators (6) und vor dem Motor (1) ein Wärmetauscher (10) vorgesehen ist, der einerseits von der Zufuhrleitung (8, 8') für den Motor (1) durchsetzt wird und anderseits von einer mit dem Getriebe (14) und ggf. dem Retarder (15) des Antriebs verbundenen Leitung (16) durchsetzt wird, die ihm das vom Getriebe und ggf. vom Retarder erhitzte Kühlmittel zuführt.
2. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmetauscher (10) eine zweite Umwälzpumpe (11) zugeordnet ist.
3. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß dem Wärmetauscher (10) ein Bypass (20) zugeordnet ist.
4. Kühlkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Wärmetauscher (10) zugeordnete Um- wälzpumpe (11) in Strömungsrichtung gesehen, vor dem Wärmetauscher in der Zufuhrleitung (8) angeordnet ist ,
5. Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zu- fuhrleitung (8) für den Motor (1) und der Abfuhrleitung (3) für den Motor (1) eine Verbindungsleitung (8') vorgesehen ist.
6. Kühlkreislauf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass die Umwälzpumpe (11) in die Verbindungsleitung (8') eingesetzt ist.
7. Kühlkreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) von der Verbindungs- leitung (8') durchsetzt wird.
EP99956017A 1998-11-25 1999-11-19 Kühlkreislauf Withdrawn EP1133623A1 (de)

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