EP1220976B1 - Oszillierender kühlwasserkreislauf - Google Patents

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EP1220976B1
EP1220976B1 EP00972722A EP00972722A EP1220976B1 EP 1220976 B1 EP1220976 B1 EP 1220976B1 EP 00972722 A EP00972722 A EP 00972722A EP 00972722 A EP00972722 A EP 00972722A EP 1220976 B1 EP1220976 B1 EP 1220976B1
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EP
European Patent Office
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cooling medium
unit
component
cooling
heat generating
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Dieter Grafl
Alfred Weiss
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Reinz Dichtungs GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a device with a heat generating unit and with a cooling system, such as internal combustion engines, Fuel cells and / or transmissions.
  • a cooling system for example one Cooling water circuit in which the cooling medium in the circuit through the device for removing the there resulting heat is conducted.
  • a water pump the water pump with the Starting the engine and pumping up Start on cooling water by the engine.
  • DE 38 13 217 discloses C2 a temperature-controlled electromagnetic Diaphragm water pump, which only at a cylinder cooling water temperature of 80 ° C put into operation becomes. This avoids the during cold start Cooling by means of the cooling water circuit.
  • a disadvantage of this method is that heat generating units, such as internal combustion engines, even during the warm-up phase an uneven heat distribution and so-called "hot spots", for example in the area of Have exhaust valves in which the engine is extremely is heated quickly.
  • a shutdown of the cooling circuit here leads to a very local overheating of the engine and possibly to destroy the exhaust valves.
  • a complete shutdown of the water pump, as disclosed in DE 38 13 217 C2 is therefore not meaningful.
  • the object of the present invention is therefore a Device with a heat generating unit for To make available one of the respective operating status adapted to the device cooling the Unit is effected without local overheating to accept.
  • the device has a heat generating unit and a cooling system with a cooling medium that flows in or along the unit, for example by an engine block.
  • the flow rate of the cooling medium in or on the unit in size and / or direction can be modulated, the flow rate can be regulated twice.
  • a first component the effective flow rate on average over time, which is a coolant transport through or along the heat-generating Unit and thus heat dissipation, corresponds, adjustable.
  • it is possible to switch the cooling water circuit on or off, i.e. with a first component 0 or operate a certain value other than 0 or adjusted the cooling water circuit between these values the temperature and heat generation of the unit, to regulate.
  • the flow rate of the cooling medium can continue with different amplitude of the second component can be modulated or undulated.
  • the modulation amplitude of the second components for a short time regardless of the size of the first component be increased to make the "hot spots" more effective cool and to effectively equalize the To achieve heat distribution in the unit.
  • adjustable electric pumps which advantageously switchable from forward to reverse are.
  • adjustable mechanical pumps with only one Pumping direction can be used provided they a corresponding mechanical switch, for example a rotary valve, is connected downstream.
  • a corresponding mechanical switch for example a rotary valve
  • Controlling the modulation of the second component can be via a time program, for example for the Cold start operation, via a temperature sensor on any Location, for example in the cylinder head gasket, in their surroundings the "hot spots" Internal combustion engines are controlled.
  • this device to be further trained in that a latent heat storage is provided over the front or a certain percentage during the cold start phase the cooling medium is heated and then possibly oscillating, in the heat generating Unit is transported.
  • the latent Heat stores not the cooling medium of the whole Cooling water circuit, but only one Fraction of the cooling medium to be heated. This makes possible a higher efficiency of the latent heat storage.
  • the heat accumulator can be arranged in this way be that the cooling medium from the unit into the heat accumulator and headed back to the unit becomes.
  • the coolant flows from the coolant pump 2 via the feed lines 12 to the rotary valve 3 and there via an inlet 22, a passage 15 and an outlet 23 to a supply line 11.
  • the supply line 11 is connected to the heat generating unit 1.
  • the coolant enters the rotary valve 3 from the heat-generating unit 1 via a discharge line 10, an inlet 20 and flows through the rotary valve 3 via a connecting line 20 to its outlet 21, from where it flows back to the coolant pump 2 via a discharge line 13. If the coolant pump 2 is now put into operation, there is a constant coolant flow through the heat-generating unit 1.
  • the volume of the coolant hatched in FIG. 1 is oscillated back and forth since the rotary valve 3 the flow direction in lines 10 and 11 periodically reverses. Depending on the speed of the rotary valve, the oscillation is faster or slower. If the individual positions of the rotary valve continue to be maintained for different lengths of time, an average flow rate can occur v (first component of the flow rate) in a direction in which an oscillating movement (second component of the flow rate) of the coolant is modulated.
  • FIG. 2 shows a further device in the corresponding Components with corresponding reference numerals are provided as in Figure 1 and their description is therefore omitted.
  • a latent heat store 30 is present in FIG. 2, the coolant from the heat generating unit 1 is supplied via a coolant supply 31, the the latent heat storage via a coolant drain 32 leaves again and to the heat generating Unit 1 is returned.
  • Figure 3 shows a further device, wherein in Figure 3 several heat generating units 1.1 and 1.2 are provided. Each of these units is unique Rotary valve 3.1 or 3.2 for independent control the modulation (first component) and flow velocity (second component) of the cooling medium for assigned to each of the heat generating units 1.1 and 1.2.
  • the function of the individual components in Figure 3 corresponds to the function of the components in Figure 1, so that they have corresponding reference numerals are designated and for the description of the function reference is made to the description of FIG. 1.
  • FIG. 4 shows various forms of periodic change in speed of the coolant in or on the heat-generating unit, as can be generated for example with the device according to FIG. 1.
  • FIG. 4A shows a smooth back and forth movement of the coolant, the average speed v of the coolant, ie its first component is zero. This operation is carried out, for example, at the beginning of the cold start phase. The speed of the coolant is constant in one valve position and is reversed when the valve is turned to the next valve position. In this operation, almost all of the heat of the heat-generating unit 1 remains within this unit 1, but an equal heat distribution is brought about in the unit and so-called "hot spots" are cooled.
  • FIG. 4B shows an asymmetrical speed distribution of the coolant, which results in an average speed v , that is, the first component of the dilution rate of the coolant is greater than 0.
  • the rotary valve is left in one of the positions for a longer time than in the other position, so that the flow rate is maintained longer in one direction than in the other. This results in a certain heat removal from the heat generating unit 1, but due to the periodic fluctuations in the flow rate, ie its second component, good cooling of the "hot spots" is achieved.
  • Such operation can occur, for example, in the transition from the cold start phase of an internal combustion engine to the continuous operation phase.
  • Figure 4C shows such a transition of heat generating unit 1 from the cold start phase to Reaching the operating temperature.
  • This example was made over time also resized the first component, where the second periodic component of flow rate was regulated independently of this.
  • FIG. 4D shows the control of the coolant flow in FIG another example.
  • the corresponding critical temperatures of the "hot spots "or the heat generating unit 1, for example an internal combustion engine, for example through temperature sensors in the cylinder head gasket can be arranged, detected.
  • This data is then used to control the rotary valves and thus used to control the coolant flow.
  • Figure 5 shows various forms of speed modulation (ie its direction and amount) of the coolant in or on the heat-generating unit, as can be generated for example by means of an electrically controllable pump instead of a mechanical pump with a rotary valve.
  • Figure 5A shows a smooth oscillating reciprocation of the coolant, the mean speed v of the coolant is zero. This operation is carried out, for example, at the beginning of the cold start phase in order to leave the heat generated in the heat-generating unit 1 within the unit 1, but to bring about a uniform heat distribution in the unit and to effectively cool so-called "hot spots".
  • FIG. 5B shows the operation during the normal operating state with the operating temperature, with here an even flow of the coolant v > 0, ie a modulation, ie a second component or part of the flow rate, is applied to the first component or part of the flow rate.
  • FIG. 5C shows the modulation of a uniform coolant flow v > 0 with different amplitudes.
  • Such an amplitude modulation is useful, for example, when the "hot spots" have to be cooled more by increased heat generation in the engine, for example with increased power, without actually requiring an increased flow of coolant through the heat-generating unit.
  • FIG. 5D describes the transition of a heat-generating unit, for example an internal combustion engine, from a cold start to when the operating temperature is reached.
  • the operating temperature is reached, there is an effective mean coolant flow, ie v > 0 which in turn, however, has a slight modulation, ie a second component for equalizing the temperatures within the engine block.
  • Figure 5E shows the modulation of the coolant flow with a temperature-dependent control.
  • the mean directional flow v of the cooling medium, but modulation is applied to this flow to cool the "hot spots". If the temperature T exceeds the limit temperature T G , the flow rate becomes v of the coolant is increased to dissipate a maximum of heat generated and the modulation is omitted.

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer Wärme erzeugenden Einheit und mit einem Kühlsystem, wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen, Brennstoffzellen und/oder Getrieben.
Vorrichtungen mit Wärme erzeugenden Einheiten, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren, die bei einer erhöhten Betriebstemperatur betrieben werden, weisen gewöhnlich ein Kühlsystem auf, beispielsweise einen Kühlwasserkreislauf, bei dem das Kühlmedium im Kreislauf durch die Vorrichtung zur Abführung der dort entstehenden Wärme geleitet wird. Nach dem Stand der Technik wird für Verbrennungsmotoren gewöhnlich Wasser als Kühlmedium verwendet und der Wasserkreislauf wird durch eine Wasserpumpe angetrieben. Dabei nimmt nach dem Stand der Technik die Wasserpumpe mit dem Anlassen des Motors ihren Betrieb auf und pumpt von Beginn an Kühlwasser durch den Motor.
Dies hat jedoch den Nachteil, daß auch ein kalter Motor in der Kaltstartphase völlig unnötig gekühlt wird und die Warmlaufphase des Motors verlängert wird, mit allen Nachteilen für den Schadstoffausstoß und den Kraftstoffverbrauch während der Warmlaufphase.
Zur Lösung dieser Probleme offenbart die DE 38 13 217 C2 eine temperaturabhängig geregelte elektromagnetische Membranwasserpumpe, die erst bei einer Zylinderkühlwassertemperatur von 80 °C in Betrieb gesetzt wird. Dadurch unterbleibt während des Kaltstarts die Kühlung mittels des Kühlwasserkreislaufes.
Nachteilig an diesem Verfahren ist nunmehr, daß Wärme erzeugende Einheiten, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren, auch schon bereits während der Warmlaufphase eine ungleichmäßige Wärmeverteilung und sogenannte "hot spots", beispielsweise im Bereich der Auslaßventile, aufweisen, in denen der Motor äußerst rasch erhitzt wird. Ein Abstellen des Kühlkreislaufes führt hier zu einer sehr lokalen Überhitzung des Motors und gegebenenfalls zur Zerstörung der Auslaßventile. Eine vollständige Abstellung der Wasserpumpe, wie in der DE 38 13 217 C2 offenbart, ist daher nicht sinnvoll.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung mit einer Wärme erzeugenden Einheit zur Verfügung zu stellen, bei der eine den jeweiligen Betriebszustand der Vorrichtung angepaßte Kühlung der Einheit bewirkt wird, ohne dabei lokale Überhitzung in Kauf zu nehmen.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist eine Wärme erzeugende Einheit und ein Kühlsystem mit einem Kühlmedium auf, das in oder an der Einheit entlangströmt, beispielsweise durch einen Motorblock. Erfindungsgemäß sind dabei die Flußgeschwindigkeit des Kühlmediums in oder an der Einheit in Größe und/oder Richtung modulierbar, wobei die Fließgeschwindigkeit zweifach regelbar ist. Zum einen ist eine erste Komponente, die der effektiven Fließgeschwindigkeit im zeitlichen Mittel, die einen Kühlmitteltransport durch oder entlang der wärmeerzeugenden Einheit und damit einen Wärmeabtransport bewirkt, entspricht, einstellbar. So ist es beispielsweise möglich, den Kühlwasserkreislauf ein- oder auszuschalten, d.h. mit einer ersten Komponente = 0 oder einen bestimmten Wert ungleich 0 zu betreiben oder den Kühlwasserkreislauf zwischen diesen Werten, angepaßt an die Temperatur und Wärmeerzeugung der Einheit, zu regeln. Zum anderen ist unabhängig hiervon eine zweite periodische Komponente der Fließgeschwindigkeit einstellbar, deren zeitliches Mittel = 0 ist, d.h. keinen effektiven Kühlmitteltransport bewirkt. Diese zweite Komponente, die als "Modulation" der ersten Komponente überlagert wird, führt lediglich zu einer Gleichverteilung der Wärme innerhalb der Einheit. Die gesamten zeitlichen Mittel können dabei vorteilhafterweise über eine Periode der Modulation der zweiten Komponente oder ein beliebiges Vielfaches hiervon bestimmt werden. Andere zeitliche Mittel sind jedoch ebenfalls möglich.
Der Kühlwasserkreislauf wird beispielsweise in der Startphase im wesentlichen ausgeschaltet (erste Komponente = 0) und lediglich eine oszillierende Bewegung (= zweite Komponente) des Kühlmediums durchgeführt. Dadurch verbleibt fast die gesamte in der Vorrichtung erzeugte Wärme innerhalb der Einheit, da das Kühlmedium sich lediglich geringfügig hin- und herbewegt. Dennoch ist eine Gleichverteilung der erzeugten Wärme innerhalb der Einheit, beispielsweise des Motorblocks gewährleistet, so daß für eine wirksame Kühlung der "hot spots" gesorgt ist. Insgesamt wird damit eine sehr rasche Durchwärmung der Einheit beim Start bewirkt, wobei die gefürchteten "hot spots" bei stehendem oder langsamem Kühlwasserkreislauf vermieden werden.
Auch im Dauerbetrieb, nach Erreichen der Betriebstemperatur, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums mittels der zweiten Komponente periodisch moduliert (onduliert) werden. Dadurch kann beispielsweise die effektive, mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums (= erste Komponente) abgesenkt und folglich die Betriebstemperatur der Einheit erhöht werden, wobei durch die Modulation der Strömungsgeschwindigkeit (= zweite Komponente) dennoch eine wirksame Kühlung der "hot spots" bewirkt wird.
Durch die Modulation oder Ondulation der Strömungsgeschwindigkeit bei Betriebstemperatur kann weiterhin die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlauf und dem Auslauf des Kühlmittels in oder an der Einheit reduziert werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums kann weiterhin auch mit unterschiedlicher Amplitude der zweiten Komponente moduliert bzw. onduliert werden.
So kann beispielsweise bei erhöhter Wärmeproduktion kurzfristig die Modulationsamplitude der zweiten Komponenten unabhängig von der Größe der ersten Komponente erhöht werden, um die "hot spots" wirksamer zu kühlen und um eine wirksame Vergleichmäßigung der Wärmeverteilung in der Einheit zu erreichen.
Um eine derartige Modulation (Ondulation) zu realisieren, eignen sich für den Kühlwasserkreislauf beispielsweise regelbare elektrische Pumpen, die vorteilhafterweise von Vorlauf auf Rücklauf umschaltbar sind. Auch regelbare mechanische Pumpen mit nur einer Pumprichtung können verwendet werden, sofern ihnen ein entsprechender mechanischer Umschalter, beispielsweise ein Drehventil, nachgeschaltet ist. In letzterem Falle können beispielsweise annähernd rechteckförmige Verläufe der Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums erzeugt werden, während mit einer regelbaren elektrischen Pumpe beliebige Verläufe der Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums, beispielsweise aus sinusförmige, realisiert werden können.
Die Steuerung der Modulation der zweiten Komponente kann über ein Zeitprogramm, beispielsweise für den Kaltstartbetrieb, über einen Temperatursensor an beliebiger Stelle, beispielsweise in der Zylinderkopfdichtung, in deren Umgebung sich die "hot spots" bei Verbrennungskraftmaschinen befinden, gesteuert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann diese Vorrichtung dahingehend weitergebildet werden, daß ein latenter Wärmespeicher vorgesehen ist, über den vor oder während der Kaltstartphase ein bestimmter Anteil des Kühlmediums erwärmt wird und dieses anschließend, gegebenenfalls oszillierend, in die Wärme erzeugende Einheit transportiert wird. Dadurch muß von dem latenten Wärmespeicher nicht das Kühlmedium des gesamten Kühlwasserkreislaufs, sondern lediglich ein Bruchteil des Kühlmediums erwärmt werden. Dies ermöglicht eine höhere Effizienz des latenten Wärmespeichers. Der Wärmespeicher kann dabei so angeordnet sein, daß das Kühlmedium aus der Einheit in den Wärmespeicher und wieder zurück in die Einheit geleitet wird. Idealerweise befindet sich dabei der latente Wärmespeicher in der Mitte der Fließstrecke bzw. des Fließweges des Kühlmediums innerhalb der Wärme erzeugenden Einheit. Durch eine oszillierende Hin- und Herbewegung des Kühlmittels ist es dadurch möglich, die Wärme erzeugende Einheit vor oder während des Kaltstartbetriebs zu erwärmen, wobei die Verluste durch Totvolumina des Kühlmittels minimiert sind.
Im folgenden werden einige Beispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1
eine Wärme erzeugende Vorrichtung;
Figur 2
eine weitere Wärme erzeugende Vorrichtung mit latentem Wärmespeicher;
Figur 3
Wärme erzeugende Vorrichtungen;
Figur 4
verschiedene Modulationsweisen für die Fließgeschwindigkeit des Kühlmediums;
und
Figur 5
verschiedene Modulationsweisen für die Flußgeschwindigkeit des Kühlmediums.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Wärme erzeugenden Einheit 1, einer Kühlmittelpumpe 2 sowie einem Drehventil 3. Das Kühlmittel fließt von der Kühlmittelpumpe 2 über die Zuleitungen 12 zu dem Drehventil 3 und dort über einen Einlaß 22, einen Durchlaß 15 und einen Auslaß 23 zu einer Zuleitung 11. Die Zuleitung 11 ist mit der Wärme erzeugenden Einheit 1 verbunden. Das Kühlmittel tritt aus der Wärme erzeugenden Einheit 1 über eine Ableitung 10, einen Einlaß 20 in das Drehventil 3 ein und fließt durch das Drehventil 3 über eine Verbindungsleitung 20 zu dessen Auslaß 21, von wo es über eine Ableitung 13 zur Kühlmittelpumpe 2 zurückfließt. Wird nun die Kühlmittelpumpe 2 in Betrieb gesetzt, so ergibt sich ein konstanter Kühlmittelstrom durch die Wärme erzeugende Einheit 1. Wird weiterhin das Drehventil 3 in Betrieb genommen, so wird das in Figur 1 schraffiert gezeichnete Volumen des Kühlmittels oszillierend hinund herbewegt, da das Drehventil 3 die Strömungsrichtung in den Leitungen 10 und 11 periodisch umkehrt. Je nach Geschwindigkeit des Drehventiles ergibt sich eine raschere oder langsamere Oszillation. Werden weiterhin die einzelnen Stellungen des Drehventils unterschiedlich lange aufrechterhalten, so kann sich eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit v (erste Komponente der Fließgeschwindigkeit) in eine Richtung ergeben, auf die eine oszillierende Bewegung (zweite Komponente der Fließgeschwindigkeit) des Kühlmittels aufmoduliert ist.
Figur 2 zeigt eine weitere Vorrichtung, bei der entsprechende Bestandteile mit entsprechenden Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen sind und deren Beschreibung daher ausgelassen wird. Zusätzlich zu Figur 1 ist in Figur 2 ein latenter Wärmespeicher 30 vorhanden, dem aus der Wärme erzeugenden Einheit 1 Kühlmittel über eine Kühlmittelzufuhr 31 zugeführt wird, das den latenten Wärmespeicher über eine Kühlmittelableitung 32 wieder verläßt und zu der Wärme erzeugenden Einheit 1 zurückgeleitet wird. Wird während oder vor dem Kaltstartbetrieb und der Aufwärmphase durch die Kühlmittelpumpe 2 und das Drehventil 3 ein gleichmäßig oszillierender Kühlmittelfluß in den Leitungen 10 und 11 bewirkt, wobei die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gleich Null betragen soll, so wird der in Figur 2 schraffiert eingezeichnete Anteil des Kühlmittels zwischen der Wärme erzeugenden Einheit 1 und dem latenten Wärmespeicher 30 hin- und herbewegt und kann so die Wärme erzeugende Einheit aufwärmen. Nach Beendigung der Warmlaufphase kann der latente Wärmespeicher durch entsprechend angeordnete Ventile (hier nicht dargestellt) aus dem Kühlwasserkreislauf ausgekoppelt werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Vorrichtung, wobei in Figur 3 mehrere Wärme erzeugende Einheiten 1.1 und 1.2 vorgesehen sind. Jeder dieser Einheiten ist ein eigenes Drehventil 3.1 bzw. 3.2 zur unabhängigen Regelung der Modulation (erste Komponente) und Strömungsgeschwindigkeit (zweite Komponente) des Kühlmediums für jede der Wärme erzeugenden Einheiten 1.1 bzw. 1.2 zugeordnet. Die Funktion der einzelnen Bauelemente in Figur 3 entspricht der Funktion der Bauelemente in Figur 1, so daß sie mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind und für die Beschreibung der Funktion auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen wird.
Figur 4 zeigt verschiedene Formen der periodischen Änderung der Geschwindigkeit
Figure 00080001
des Kühlmittels in oder an der Wärme erzeugenden Einheit, wie sie beispielsweise mit der Vorrichtung nach Figur 1 erzeugt werden können.
Figur 4A zeigt dabei eine gleichmäßige Hin- und Herbewegung des Kühlmittels, wobei die mittlere Geschwindigkeit v des Kühlmittels, d.h. deren erste Komponente gleich Null ist. Dieser Betrieb wird beispielsweise zu Beginn der Kaltstartphase durchgeführt. Die Geschwindigkeit des Kühlmittels ist dabei in einer Ventilstellung konstant und wird bei einem Drehen des Ventils zu der nächsten Ventilstellung umgekehrt. In diesem Betrieb bleibt nahezu die gesamte Wärme der Wärme erzeugenden Einheit 1 innerhalb dieser Einheit 1, wobei jedoch eine Wärmegleichverteilung in der Einheit bewirkt wird und sogenannte "hot spots" gekühlt werden.
Figur 4B zeigt eine asymmetrische Geschwindigkeitsverteilung des Kühlmittels, wodurch sich eine mittlere Geschwindigkeit v, d.h. die erste Komponente der Fleißgeschwindigkeit des Kühlmittels größer als 0 ergibt. Dabei wird das Drehventil in einer der Stellungen für eine längere Zeit als in der anderen Stellung belassen, so daß die Fließgeschwindigkeit in einer Richtung länger aufrechterhalten wird als in der anderen. Hierdurch ergibt sich ein gewisser Wärmeabtransport aus der Wärme erzeugenden Einheit 1, wobei jedoch aufgrund der periodischen Schwankungen der Fließgeschwindigkeit, d.h. deren zweiter Komponente eine gute Kühlung der "hot spots" erzielt wird. Ein derartiger Betrieb kann beispielsweise im Übergang von der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors zu der Dauerbetriebsphase auftreten.
Figur 4C zeigt einen derartigen Übergang einer Wärme erzeugenden Einheit 1 aus der Kaltstartphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur. Zu Beginn oszilliert die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels wie in Figur 4A gezeigt, hin und her, wodurch die Wärme in der Wärme erzeugenden Einheit belassen wird und lediglich die "hot spots" gekühlt werden. Erreicht die Temperatur der Wärme erzeugenden Einheit 1 die Dauerbetriebstemperatur, so wird das Drehventil in eine Stellung gebracht und dort festgehalten, bei der ein konstanter Kühlmittelstrom, der einer positiven ersten Komponente entspricht durch die Wärme erzeugende Einheit erfolgt. In diesem Beispiel wurde im Zeitablauf auch die Größe der ersten Komponente geändert, wobei die zweite periodische Komponente der Fließgeschwindigkeit von dieser unabhängig geregelt wurde.
Figur 4D zeigt die Steuerung des Kühlmittelflusses in einem weiteren Beispiel. In diesem Falle erfolgt ganz zu Beginn der Kaltstartphase keinerlei Bewegung des Kühlmediums, so daß die gesamte Wärme, die von der Wärme erzeugenden Einheit 1 erzeugt wird, in dieser Einheit 1 verbleibt (d.h. erste Komponente = 0, zweite Komponente = 0). Bei Erreichen einer kritischen Temperatur an den sogenannten "hot spots" wird eine oszillierende Hin- und Herbewegung des Kühlmittels eingeleitet, indem das Drehventil in Drehung versetzt wird (d.h. erste Komponente = 0, Amplitude der zweiten Komponente ungleich 0). Bei Erreichen der Dauerbetriebstemperatur wird das Drehventil in einer Stellung gehalten, bei der ein konstanter Kühlmittelfluß durch die Wärme erzeugende Einheit 1 erfolgt (d.h. erste Komponente ungleich 0, zweite Komponente = 0).
Die entsprechenden kritischen Temperaturen der "hot spots" oder der Wärme erzeugenden Einheit 1, beispielsweise eines Verbrennungsmotores, können beispielsweise durch Temperatursensoren, die in der Zylinderkopfdichtung angeordnet sein können, erfaßt.
Diese Daten werden dann zur Steuerung der Drehventile und damit zur Regelung des Kühlmittelflusses verwendet.
Figur 5 zeigt verschiedene Formen der Modulation der Geschwindigkeit (d.h. deren Richtung und Betrag) des Kühlmittels in oder an der Wärme erzeugenden Einheit, wie sie beispielsweise mittels einer elektrisch regelbaren Pumpe statt einer mechanischen Pumpe mit Drehventil erzeugt werden können.
Figur 5A zeigt eine gleichmäßige oszillierende Hinund Herbewegung des Kühlmittels, wobei die mittlere Geschwindigkeit v des Kühlmittels gleich Null ist. Dieser Betrieb wird beispielsweise zu Beginn der Kaltstartphase durchgeführt, um die in der Wärme erzeugenden Einheit 1 erzeugte Wärme innerhalb der Einheit 1 zu belassen, jedoch eine Wärmegleichverteilung in der Einheit zu bewirken und sogenannte "hot spots" wirksam zu kühlen.
Figur 5B zeigt den Betrieb während des normalen Betriebszustandes mit Betriebstemperatur, wobei hier auf einen gleichmäßigen Fluß des Kühlmittels mit v > 0, d.h. auf die erste Komponente bzw. Anteil der Fließgeschwindigkeit eine Modulation, d.h. eine zweite Komponente oder Anteil der Fließgeschwindigkeit aufgebracht wird. Dadurch wird wiederum innerhalb der Wärme erzeugenden Einheiten 1 eine bessere Wärmegleichverteilung und eine Kühlung der "hot spots" erzielt.
Figur 5C zeigt die Modulation eines gleichmäßigen Kühlmittelflusses mit v > 0 mit unterschiedlicher Amplitude. Eine derartige Amplitudenmodulation ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn durch erhöhte Wärmeerzeugung in dem Motor, beispielsweise bei erhöhter Leistung, die "hot spots" stärker gekühlt werden müssen, ohne daß dabei tatsächlich eine erhöhte Durchströmung mit Kühlmittel der Wärme erzeugenden Einheit erforderlich ist.
Figur 5D beschreibt den Übergang einer Wärme erzeugenden Einheit, beispielsweise eines Verbrennungsmotores, vom Kaltstart bis zum Erreichen der Betriebstemperatur. Zu Beginn des Kaltstarts wird die Kühlmittelgeschwindigkeit lediglich in hin- und herbewegender Weise oszillierend moduliert, d.h. die erste Komponente v = 0. Mit ansteigender Betriebstemperatur wird die Modulation zur besseren Kühlung der "hot spots" erhöht, wobei weiterhin kein effektiver Kühlmitteldurchfluß durch den Motor erfolgt, d.h. weiterhin v = 0. Bei Erreichen der Betriebstemperatur erfolgt ein effektiver mittlerer Fluß des Kühlmittels, d.h. v > 0 der seinerseits jedoch eine geringfügige Modulation, d.h. zweite Komponente zur Vergleichmäßigung der Temperaturen innerhalb des Motorblocks aufweist.
Figur 5E zeigt die Modulation des Kühlmittelflusses bei einer temperaturabhängigen Regelung.
Liegt die Temperatur T des Motors unterhalb einer Grenztemperatur TG, so ist der mittlere gerichtete Fluß v des Kühlmediums abgesenkt, wobei jedoch zur Kühlung der "hot spots" diesem Fluß eine Modulation aufgeprägt ist. Überschreitet die Temperatur T die Grenztemperatur TG, so wird die Strömungsgeschwindigkeit v des Kühlmittels erhöht, um ein Maximum an erzeugter Wärme abzuführen, und die Modulation unterbleibt.
Zusammenfassend sollen noch einmal die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden. Zum einen kann eine rasche Durchwärmung der Wärme erzeugenden Einheit bewirkt werden mit allen damit verbundenen Vorteilen, beispielsweise beim Verbrennungsmotor bezüglich der Kraftstoffausbeute und des Schadstoffausstoßes, bei einer Brennstoffzelle bzgl. des Wirkungsgrades oder bei einem Getriebe bzgl. der Viskosität des Getriebeöls und damit ebenfalls des Wirkungsgrades. Dabei werden jedoch lokale Überhitzungen innerhalb der Einheit wirksam vermieden und insgesamt das Temperaturniveau innerhalb der Wärme erzeugenden Einheit nivelliert und die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlauf und dem Auslauf des Kühlmittels im Dauerbetrieb reduziert. Nicht zuletzt ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, unter Vermeidung lokaler Überhitzungen die Wärme erzeugende Einheit bei einer erhöhten Betriebstemperatur zu betreiben.

Claims (18)

  1. Vorrichtung mit einer Wärme erzeugenden Einheit (1) mit einer erhöhten Betriebstemperatur in einer Betriebsphase, und einem Kühlsystem (2, 10, 11, 12, 13) mit einem Kühlmedium, das in oder an der Einheit (1) entlangströmt,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    einer ersten Komponente der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels, die dem zeitlichen Mittel des Transports von Kühlmittel durch oder entlang der Einheit (1) entspricht, eine zweite, in ihrer Größe und/oder Richtung periodisch schwankende Komponente der Fließgeschwindigkeit überlagerbar ist, die im zeitlichen Mittel keinen Transport von Kühlmittel durch oder entlang der Einheit bewirkt, wobei die zweite Komponente in Richtung und/oder Größe unabhängig von Richtung oder Größe der ersten Komponente steuerbar ist.
  2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente einen Wert von 0 m/s aufweist, zwischen 0 m/s und einem vorbestimmten Wert veränderbar ist oder einen bestimmten Wert ungleich 0 aufweist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußgeschwindigkeit durch eine in der Pumprichtung umschaltbare Pumpe und/oder eine Umschaltvorrichtung für die Flußrichtung modulierbar ist.
  4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung ein Drehventil ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrichtung des Kühlmittels abwechselnd umkehrbar und/oder die Flußgeschwindigkeit des Kühlmittels abwechselnd verringerbar und erhöhbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen latenten Wärmespeicher aufweist zur Erwärmung einer bestimmten Menge an Kühlmedium vor und/oder während der Erwärmung der Einheit auf die Betriebstemperatur.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an oder in der Wärme erzeugenden Einheit ein Temperatursensor angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme erzeugende Einheit eine Verbrennungskraftmaschine ist.
  9. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet daß die Verbrennungskraftmaschine einen Zylinderblock, einen Zylinderkopf und eine zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf angeordnete Zylinderkopfdichtung aufweist.
  10. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor in oder an der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist.
  11. Verfahren zur Kühlung einer Wärme erzeugenden Einheit, die in einer Betriebsphase eine erhöhte Betriebstemperatur aufweist,
    wobei zur Kühlung ein Kühlmedium in oder an der Einheit entlangströmt,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Flußgeschwindigkeit derart geregelt wird, daß sie eine erste Komponente, die dem zeitlichen Mittel des Transports von Kühlmittel durch oder entlang der Einheit (1) entspricht, sowie eine zweite in ihrer Größe und/oder Richtung periodisch schwankende Komponente aufweist, die im zeitlichen Mittel keinen Transport von Kühlmittel durch oder entlang der Einheit (1) bewirkt, und wobei die zweite Komponente in Größe und Richtung unabhängig von Größe und Richtung der ersten Komponente geregelt wird.
  12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit während einer Kaltstartphase auf die Betriebstemperatur erwärmt wird, wobei zumindest während eines Teils der Kaltstartphase die erste Komponente der Flußgeschwindigkeit auf 0 m/s geregelt wird.
  13. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest während eines Teils der Kaltstartphase die Flußgeschwindigkeit derart abwechselnd umgekehrt wird, daß der an oder in der Einheit (1) entlangfließende Kühlmittelanteil im zeitlichen Mittel stationär ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder während der Kaltstartphase eine vorbestimmte Menge an Kühlmedium aufgewärmt und anschließend in oder an der Einheit entlangströmt.
  15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Menge an Kühlmedium durch eine getrennte Heizvorrichtung, beispielsweise einen Latenzwärmespeicher, aufgewärmt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsphase zumindest zeitweise die Flußgeschwindigkeit abwechselnd verringert und erhöht wird und/oder die Flußrichtung abwechselnd umgekehrt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode und/oder die Amplitude der zweiten Komponente beispielsweise durch ein Zeitprogramm und/oder einen Temperatursensor in/an der Einheit und/oder in/an dem Kühlmedium, gesteuert wird.
  18. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 17 während der Kaltstartphase und/oder während der Betriebsphase zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine, einer Brennstoffzelle und/oder einer Getriebes als Wärme erzeugende Vorrichtung.
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