EP1253303B1 - Durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine Download PDF

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EP1253303B1
EP1253303B1 EP20020007810 EP02007810A EP1253303B1 EP 1253303 B1 EP1253303 B1 EP 1253303B1 EP 20020007810 EP20020007810 EP 20020007810 EP 02007810 A EP02007810 A EP 02007810A EP 1253303 B1 EP1253303 B1 EP 1253303B1
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EP
European Patent Office
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internal combustion
combustion engine
line
inlet
cylinder head
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EP20020007810
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Roland Herynek
Martin Vollmer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P2007/146—Controlling of coolant flow the coolant being liquid using valves
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    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/08—Cabin heater

Definitions

  • the invention is based on a liquid cooled reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a cooling liquid In known reciprocating internal combustion engines, the excess heat is dissipated via a cooling liquid. This circulates in a cooling circuit and is promoted by an electrically or mechanically driven water pump via a supply line to the reciprocating internal combustion engine and from there via a return line to a cooler, which cooperates with an electrically driven fan.
  • a heating circuit of a vehicle heating system or air conditioning system can be connected to the cooling circuit.
  • a bypass line connects the return flow line with the supply line. It bridges the radiator and flows into the supply line upstream of the water pump.
  • a three-way valve is arranged, which regulates the cooling liquid flow and thermostatic or from a control unit is controlled.
  • the control unit is connected via signal lines with numerous, different sensors which detect the operating parameters and environmental parameters of the reciprocating internal combustion engine and the cooling or heating circuit. From these input variables, a manipulated variable for the three-way valve is determined and thus determines the flow rate of the coolant to the radiator or via the bypass line.
  • a liquid cooled reciprocating internal combustion engine with a cylinder head and a cylinder block whose cooling liquid spaces are connected via separate inlet pipes to a cooling circuit.
  • This contains at least one water pump and a cooler with a fan, the water pump via a pressure line promotes coolant to the inlet lines.
  • a control valve which is controlled by a control unit and divides the flow on the cylinder head and the cylinder block.
  • the cooling liquid spaces of the cylinder head and the cylinder block are connected via separate outlet lines to a common return line.
  • a cooling circuit in which the supply line branches into two inlet lines, wherein one inlet line in the region of the cylinder head and the other in the region of the cylinder block open into the reciprocating internal combustion engine.
  • the cooling liquid flow is controlled by a valve which is arranged in the inlet line to the cylinder block.
  • the valve position is controlled by a control unit, which among other things evaluates temperature measurements on the reciprocating internal combustion engine.
  • a first temperature sensor measures the temperature of the effluent coolant, which provides information about the Cooling of the reciprocating internal combustion engine gives total.
  • a second temperature sensor measures the temperature of the machine oil, which determines the cooling in the area of the cylinder block.
  • the valve is adjusted according to the measured data so that precisely defined subsets flow through the separate intake lines to the cylinder head or cylinder block. Due to the separate onflow, although the cooling liquid reaches the two areas in a targeted manner, it is later mixed again because the cooling channels allow a volume flow between the areas and thus an exchange of cooling liquid. Temperature measurements of the mixed coolant do not represent the actual operating conditions in the individual areas of the reciprocating internal combustion engine, and the control of the cooling circuit is not exactly matched to their specific temperature conditions.
  • the cooling liquid spaces of the cylinder head and the cylinder block are separated from each other and connected via separate outlet to a common return line.
  • the coolant flows flow via separate inlet lines, in which according to the invention a respective control valve is provided in the two areas of the reciprocating internal combustion engine and are not mixed during the cooling process. In addition, they also leave the reciprocating internal combustion engine via separate outlet lines.
  • Temperature measurements in the exhaust line of the cylinder head or the cylinder block in this case represent the respective cooling process unadulterated.
  • a control unit By processing the measurement results in a control unit into manipulated variables for the control valves in the inlet lines of the separate regions, it is possible to adjust the amount of coolant flowing through efficiently to the region to be cooled.
  • the area of the cylinder head can be kept in an optimum temperature range by an increased flow of coolant without the cylinder block, which as a rule does not need to be cooled so much, also being circulated by the coolant.
  • the invention advantageously provides that the two control valves in the inlet lines individually or jointly can be controlled so that in addition to the demand-based throttling of the cooling liquid flow to one of the two separate areas of the reciprocating internal combustion engine at many operating points, the entire volume flow of the cooling liquid is reduced, which is not possible with known cooling circuits.
  • the cooling liquid control according to the invention causes the reciprocating internal combustion engine to quickly reach its optimum operating temperature and maintain it over wide operating ranges. This reduces fuel consumption and pollutant emissions.
  • the single drawing shows a schematic representation of a cooling circuit of a reciprocating internal combustion engine.
  • a reciprocating internal combustion engine 10 is connected to a cooling circuit 16.
  • a water pump 18 delivers coolant via a pressure line 32 to the reciprocating internal combustion engine 10 and from there through a return line 26 to a radiator 20 which cooperates with a fan 24.
  • the cooling liquid flows back through a suction line 30 to the water pump 18.
  • the coolant flow is indicated by arrows.
  • the pressure line 32 branches into a first inlet line 34, which leads to a cylinder head 12 of the internal combustion engine 10, and into a second inlet line 36, which leads to a cylinder block 14 of the internal combustion engine 10.
  • the cylinder head 12 and the cylinder block 14 have not shown, separate cooling fluid spaces. The separation is indicated by a dashed line 46.
  • the cylinder head 12 is connected via a first outlet line 38 and the cylinder block 14 via a second outlet line 40 to the common return line 26. Due to the separate coolant flow in the cylinder head 12 and in the cylinder block 14, the temperature of the coolant in the exhaust conduits 38, 40 is representative of the heat buildup and cooling events in the cylinder head 12 and cylinder block 14, respectively.
  • Sensors in the exhaust conduits 38, 40 may be combined with a control unit also not shown in detail, and the control valves 42, 44 in the intake pipes 34, 36 determine the temperature behavior in the cylinder head 12 and in the cylinder block 14 precisely.
  • a first control valve 42 which is arranged in the first or second inlet line 34, 36, is sufficient.
  • the volume flow is throttled through the corresponding inlet line 34 and 36, while the remaining, funded by the water pump 18 volume flow through the other inlet conduit 34 and 36 flows.
  • a first control valve 42 in the first inlet conduit 34 and a second Regulating valve 44 in the second inlet line 36 the total volume flow can be both divided on the two inlet lines 34 and 36 and throttled so that the amount of coolant flowing through the reciprocating internal combustion engine 10 can be reduced in operating areas with a low heat accumulation.
  • the cooling circuit 16 may have a conventional structure in which a bypass line 28 and a heating heat exchanger 22 are connected in parallel to the radiator 20 between the return flow line 26 and the suction line 30.
  • a third control valve 48 which is designed as a thermostatic valve or as a controllable by the control valve, regulates the flow through the heating heat exchanger 22, the bypass line 28 and the radiator 20.
  • the cooling circuit 16 may include other heat exchangers for working and auxiliary equipment.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einer durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
  • In bekannten Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird die überschüssige Wärme über eine Kühlflüssigkeit abgeführt. Diese zirkuliert in einem Kühlkreislauf und wird von einer elektrisch oder mechanisch angetriebenen Wasserpumpe über eine Zulaufleitung zur Hubkolbenbrennkraftmaschine und von dort über eine Rückströmleitung zu einem Kühler gefördert, der mit einem elektrisch angetriebenen Gebläse zusammenarbeitet. Außerdem kann an dem Kühlkreislauf ein Heizkreislauf einer Fahrzeugheizung oder Klimaanlage angeschlossen sein.
  • In der Regel verbindet im Kühlkreislauf eine Bypassleitung die Rückströmleitung mit der Zulaufleitung. Sie überbrückt den Kühler und mündet stromaufwärts der Wasserpumpe in die Zulaufleitung. An der Abzweigung der Bypassleitung von der Rücklaufleitung ist ein Dreiwegeventil angeordnet, welches den Kühlflüssigkeitsstrom regelt und thermostatisch oder von einer Steuereinheit gesteuert wird. Die Steuereinheit ist über Signalleitungen mit zahlreichen, unterschiedlichen Sensoren verbunden, welche die Betriebsparameter und Umgebungsparameter der Hubkolbenbrennkraftmaschine und des Kühl- bzw. Heizkreislaufs erfassen. Aus diesen Eingangsgrößen wird eine Stellgröße für das Dreiwegeventil ermittelt und somit die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit zum Kühler bzw. über die Bypassleitung bestimmt.
  • Aus der US-A-4 423 705 ist eine durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock bekannt, deren Kühlflüssigkeitsräume über getrennte Einlassleitungen an einem Kühlkreislauf angeschlossen sind. In den Einlassleitungen ist jeweils eine Wasserpumpe angeordnet, die Kühlwasser vom Kühler zum Zylinderkopf bzw. Zylinderblock fördert. Die Kühlflüssigkeitsräume des Zylinderkopfs und des Zylinderblocks sind ferner über getrennte Auslassleitungen an einer gemeinsamen Rückströmleitung angeschlossen, wobei in der Auslassleitung des, Zylinderkopfs ein Steuerventil vorgesehen ist, das den Wasserstrom durch eine Fahrgastraumheizung bzw. eine Bypassleitung zur Fahrgastraumheizung steuert.
  • Aus den Patent Abstracts of Japan Bd. 007, Nr. 025 (M-189), 29. Januar 1983 (1983-01-29) und der JP 57 17634 A ist eine ähnliche Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei der die Kühlflüssigkeitsräume eines Zylinderkopfs und eines Zylinderblocks über getrennte Einlassleitungen an einem Kühlkreislauf angeschlossen sind, wobei eine Wasserpumpe Kühlflüssigkeit zu den Einlassleitungen fördert. In der Einlassleitung zum Zylinderblock ist ein Regelventil angeordnet, das von einer Steuereinheit in Abhängigkeit der Wassertemperatur am Einlass des Zylinderkopfs angesteuert wird. Hierzu ist in der Einlassleitung zum Zylinderkopf ein Temperatursensor angeordnet, der Signale an die Steuereinheit für das Regelventil liefert. Ferner sind getrennte Auslassleitungen an den Kühlflüssigkeitsräumen des Zylinderkopfs und des Zylinderblocks vorgesehen, die an einer gemeinsamen Rückströmleitung angeschlossen sind.
  • Aus der DE-A-1 199 38 614 ist eine durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock bekannt, deren Kühlflüssigkeitsräume über getrennte Einlassleitungen an einem Kühlkreislauf angeschlossen sind. Dieser enthält mindestens eine Wasserpumpe und einen Kühler mit einem Lüfter, wobei die Wasserpumpe über eine Druckleitung Kühlflüssigkeit zu den Einlassleitungen fördert. In der Druckleitung befindet sich ein Regelventil, das von einer Steuereinheit angesteuert wird und den Volumenstrom auf den Zylinderkopf und den Zylinderblock aufteilt. Außerdem sind die Kühlflüssigkeitsräume des Zylinderkopfs und des Zylinderblocks über getrennte Auslassleitungen an einer gemeinsamen Rückströmleitung angeschlossen.
  • Aus der US 5 121 714 A ist ein Kühlkreislauf bekannt, in dem sich die Zulaufleitung in zwei Einlassleitungen verzweigt, wobei die eine Einlassleitung im Bereich des Zylinderkopfs und die andere im Bereich des Zylinderblocks in die Hubkolbenbrennkraftmaschine münden. Zudem wird der Kühlflüssigkeitsstrom über ein Ventil geregelt, welches in der Einlassleitung zum Zylinderblock angeordnet ist. Die Ventilstellung wird durch eine Steuereinheit geregelt, welche unter anderem Temperaturmessungen an der Hubkolbenbrennkraftmaschine auswertet. Ein erster Temperaturfühler misst die Temperatur der abfließenden Kühlflüssigkeit, welche Aufschluss über die Kühlung der Hubkolbenbrennkraftmaschine insgesamt gibt. Ein zweiter Temperaturfühler misst die Temperatur des Maschinenöls, wodurch die Kühlung im Bereich des Zylinderblocks ermittelt wird.
  • Entsprechend den Messdaten wird das Ventil eingestellt, sodass genau bestimmte Teilmengen über die getrennten Einlassleitungen zum Zylinderkopf bzw. zum Zylinderblock strömen. Durch das separate Anströmen, gelangt die Kühlflüssigkeit zwar zielgerichtet in die beiden Bereiche, wird aber später wieder vermengt, da die Kühlkanäle einen Volumenstrom zwischen den Bereichen und damit einen Austausch von Kühlflüssigkeit zulassen. Temperaturmessungen der vermischten Kühlflüssigkeit stellen nicht die tatsächlichen Betriebszustände in den einzelnen Bereichen der Hubkolbenbrennkraftmaschine dar, und die Regelung des Kühlkreislaufs ist nicht genau auf deren spezielle Temperaturverhältnisse abgestimmt.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Kühlflüssigkeitsräume des Zylinderkopfs und des Zylinderblocks sind voneinander getrennt und über getrennte Auslassleitungen an einer gemeinsamen Rückströmleitung angeschlossen. Die Kühlflüssigkeitsströme fließen über getrennte Einlassleitungen, in denen nach der Erfindung jeweils ein Regelventil vorgesehen ist, in die beiden Bereiche der Hubkolbenbrennkraftmaschine und werden auch während des Kühlvorgangs nicht vermischt. Zudem verlassen sie die Hubkolbenbrennkraftmaschine ebenfalls über separate Auslassleitungen.
  • Temperaturmessungen in der Auslassleitung des Zylinderkopfs bzw. des Zylinderblocks repräsentieren in diesem Fall den jeweiligen Kühlvorgang unverfälscht. Indem die Messergebnisse in einer Steuereinheit zu Stellgrößen für die Regelventile in den Einlassleitungen der getrennten Bereiche verarbeitet werden, ist es möglich, die durchfließende Kühlflüssigkeitsmenge effizient auf den zu kühlenden Bereich einzustellen. Zudem kann der Bereich des Zylinderkopfs durch einen erhöhten Kühlflüssigkeitsdurchfluss in einem optimalen Temperaturbereich gehalten werden, ohne dass der Zylinderblock, welcher in der Regel nicht so stark gekühlt werden muss, ebenfalls von der Kühlflüssigkeit umströmt wird.
  • Die Erfindung sieht vorteilhafterweise vor, dass die beiden Regelventile in den Einlassleitungen einzeln oder gemeinsam ansteuerbar sind, sodass neben der bedarfsgerechten Drosselung des Kühlflüssigkeitsstroms zu einem der beiden, getrennten Bereiche der Hubkolbenbrennkraftmaschine in vielen Betriebspunkten auch der gesamte Volumenstrom der Kühlflüssigkeit reduziert wird, was bei bekannten Kühlkreisläufen nicht möglich ist. Die erfindungsgemäße Kühlflüssigkeitsregelung bewirkt, dass die Hubkolbenbrennkraftmaschine schnell ihre optimale Betriebstemperatur erreicht und über weite Betriebsbereiche beibehält. Dadurch werden der Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission gesenkt.
    • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Die einzige Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Eine Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 ist an einem Kühlkreislauf 16 angeschlossen. Eine Wasserpumpe 18 fördert Kühlflüssigkeit über eine Druckleitung 32 zur Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 und von dort durch eine Rückströmleitung 26 zu einem Kühler 20, der mit einem Lüfter 24 zusammenarbeitet.
  • Vom Kühler 20 strömt die Kühlflüssigkeit durch eine Saugleitung 30 zur Wasserpumpe 18 zurück. Die Kühlflüssigkeitsströmung ist durch Pfeile angedeutet.
  • Die Druckleitung 32 verzweigt sich in eine erste Einlassleitung 34, die zu einem Zylinderkopf 12 der Brennkraftmaschine 10 führt, und in eine zweite Einlassleitung 36, die zu einem Zylinderblock 14 der Brennkraftmaschine 10 führt. Der Zylinderkopf 12 und der Zylinderblock 14 besitzen nicht näher dargestellte, getrennte Kühlflüssigkeitsräume. Die Trennung ist durch eine gestrichelte Linie 46 angedeutet. Der Zylinderkopf 12 ist über eine erste Auslassleitung 38 und der Zylinderblock 14 über eine zweite Auslassleitung 40 mit der gemeinsamen Rückströmleitung 26 verbunden. Durch die getrennte Kühlflüssigkeitsströmung im Zylinderkopf 12 und im Zylinderblock 14 ist die Temperatur der Kühlflüssigkeit in den Auslassleitungen 38, 40 repräsentativ für den Wärmeanfall und die Kühlvorgänge im Zylinderkopf 12 bzw. im Zylinderblock 14. Nicht näher dargestellte Sensoren in den Auslassleitungen 38, 40 können zusammen mit einer ebenfalls nicht näher dargestellten Steuereinheit und der Regelventile 42, 44 in den Einlassleitungen 34, 36 das Temperaturverhalten im Zylinderkopf 12 und im Zylinderblock 14 präzise bestimmen.
  • In der Regel genügt ein erstes Regelventil 42, das in der ersten oder zweiten Einlassleitung 34, 36 angeordnet ist. Durch die Ansteuerung dieses Regelventils 42 wird der Volumenstrom durch die entsprechende Einlassleitung 34 bzw. 36 gedrosselt, während der restliche, von der Wasserpumpe 18 geförderte Volumenstrom durch die andere Einlassleitung 34 bzw. 36 strömt. Durch die Anordnung von einem ersten Regelventil 42 in der ersten Einlassleitung 34 und einem zweiten Regelventil 44 in der zweiten Einlassleitung 36 kann der gesamte Volumenstrom sowohl auf die beiden Einlassleitungen 34 und 36 aufgeteilt als auch gedrosselt werden, sodass die durch die Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 strömende Kühlflüssigkeitsmenge in Betriebsbereichen mit einem geringen Wärmeanfall reduziert werden kann.
  • Im Übrigen kann der Kühlkreislauf 16 einen üblichen Aufbau haben, bei dem zwischen der Rückströmleitung 26 und der Saugleitung 30 parallel zum Kühler 20 eine Bypassleitung 28 und ein Heizwärmetauscher 22 geschaltet sind. Ein drittes Regelventil 48, das als Thermostatventil oder als ein von der Steuereinheit ansteuerbares Ventil ausgebildet ist, regelt den Durchfluss durch den Heizwärmetauscher 22, die Bypassleitung 28 und den Kühler 20. Zusätzlich kann der Kühlkreislauf 16 noch weitere Wärmetauscher für Arbeits- und Hilfsaggregate umfassen.
  • Bezugszeichen
    • 10
    Hubkolbenbrennkraftmaschine
    12
    Zylinderkopf
    14
    Zylinderblock
    16
    Kühlkreislauf
    18
    Wasserpumpe
    20
    Kühler
    22
    Heizwärmetauscher
    24
    Lüfter
    26
    Rückströmleitung
    28
    Bypassleitung
    30
    Saugleitung
    32
    Druckleitung
    34
    erste Einlassleitung
    36
    zweite Einlassleitung
    38
    erste Auslassleitung
    40
    zweite Auslassleitung
    42
    erstes Regelventil
    44
    zweites Regelventil
    46
    Linie
    48
    drittes Regelventil

Claims (2)

  1. Durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine (10) mit einem Zylinderkopf (12) und einem Zylinderblock (14), deren Kühlflüssigkeitsräume über getrennte Einlassleitungen (34, 36) an einem Kühlkreislauf (16) angeschlossen sind, der mindestens eine Wasserpumpe (18), einen Kühler (20) mit einem Lüfter (24) enthält, wobei die Wasserpumpe (18) über eine Druckleitung (32) Kühlflüssigkeit zu den Einlassleitungen (34, 36) fördert und mindestens in einer Einlassleitung (34, 36) ein Regelventil (42) angeordnet ist, das den Volumenstrom in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine (10) steuert, wobei die Kühlflüssigkeitsräume des Zylinderkopfs (12) und des Zylinderblocks (14) voneinander getrennt und über getrennte Auslassleitungen (38, 40) an einer gemeinsamen Rückströmleitung (26) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in beiden Einlassleitungen (34, 36) jeweils ein Regelventil (42, 44) vorgesehen ist.
  2. Hubkolbenbrennkraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Regelventile (42, 44) einzeln oder gemeinsam ansteuerbar sind.
EP20020007810 2001-04-24 2002-04-06 Durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine Expired - Lifetime EP1253303B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2001119969 DE10119969A1 (de) 2001-04-24 2001-04-24 Durch Flüssigkeit gekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine
DE10119969 2001-04-24

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP1253303A2 EP1253303A2 (de) 2002-10-30
EP1253303A3 EP1253303A3 (de) 2003-03-26
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