EP1947308A1 - Integriertes Motorkühlsystem - Google Patents

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EP1947308A1
EP1947308A1 EP07100654A EP07100654A EP1947308A1 EP 1947308 A1 EP1947308 A1 EP 1947308A1 EP 07100654 A EP07100654 A EP 07100654A EP 07100654 A EP07100654 A EP 07100654A EP 1947308 A1 EP1947308 A1 EP 1947308A1
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EP
European Patent Office
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coolant
phase
internal combustion
combustion engine
cylinder head
Prior art date
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Granted
Application number
EP07100654A
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English (en)
French (fr)
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EP1947308B1 (de
Inventor
Richard Fritsche
Kai Kuhlbach
Ingo Lenz
Martin Lutz
Jan Mehring
Carsten Weber
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Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Filing date
Publication date
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Priority to DE502007001624T priority patent/DE502007001624D1/de
Priority to US12/015,743 priority patent/US7721683B2/en
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    • 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
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    • F01P3/00—Liquid cooling
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    • F01P3/00—Liquid cooling
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    • F01P3/00—Liquid cooling
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    • F01P2003/027—Cooling cylinders and cylinder heads in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P2037/00—Controlling
    • F01P2037/02—Controlling starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/16—Outlet manifold

Definitions

  • the invention relates to a cooling strategy for an internal combustion engine having at least one cylinder head and an associated cylinder block, wherein a coolant flows in a coolant circuit, and wherein at least one control element is associated with the coolant circuit.
  • the EP 1 375 857 A discloses a cooling device for an internal combustion engine.
  • the cooling device has a plurality of cooling cells in a cylinder head, which are separated from each other and can be traversed by a cooling liquid.
  • the cooling device further comprises at least first and second means for controlling the flow rate, the means being connected to at least one first cooling cell of the cylinder head and to at least one second cooling cell of the cylinder head.
  • the first and second means are capable of controlling the amount of cooling liquid flowing through each first cooling cell and each second cooling cell, respectively.
  • the invention has for its object to improve a cooling strategy of the type mentioned by simple means to the extent that friction losses are minimized, the engine can be performed as quickly as possible to the required operating temperature.
  • the object is achieved by a cooling strategy with the features of claim 1, wherein the coolant flow is controlled during a warm-up phase of the internal combustion engine in successive phases by means of at least one control to separate cooling areas, and that the coolant flow in an adjoining operation at operating temperature of the internal combustion engine is controlled by means of the controls, taking into account operating conditions of the internal combustion engine to separate cooling areas.
  • the invention is based on the finding that cooling water jackets have the main function to dissipate the heat resulting from the combustion, wherein the cooling water jackets should be designed such that the temperature distribution is homogeneous. It is therefore predominantly provided for the full load operation in which a maximum temperature, provided that the cooling water jacket is designed for this operating condition.
  • both the advantages of good oil heating, exhaust gas warming, engine warming and passenger compartment warming can be achieved in the warm-up phase of the internal combustion engine, as well as good cooling of the warm engine.
  • the coolant in a first phase of the warm-up phase, has a flow amount of zero, wherein the corresponding first control element is closed.
  • the control can be designed for example as a mechanical or electromechanical valve or electrically heated thermostat, which is controlled by the exhaust gas temperature.
  • the exhaust gas temperature Immediately after starting the internal combustion engine, the exhaust gas temperature has not yet the preferred amount of temperature, so that the valve first, preferably for a few seconds, is closed, so that a flow of coolant is first interrupted.
  • the preferred temperature for keeping this valve closed may be based on the operating temperature of the catalyst coupled, and for example, an amount of less than 500 ° C (catalyst function start temperature) of the exhaust gas temperature.
  • the valve opens, so that it is conveniently provided that in a second phase of the warm-up phase exhaust ports and exhaust manifold are cooled so that the coolant flow through an exhaust side of the cylinder head to a heating heat exchanger (heating) can flow.
  • a heating heat exchanger heating
  • a third phase of the warm-up phase exhaust ports and exhaust manifold and the cylinder block is cooled, wherein the exhaust control element or the valve and a third control, or a block thermostat are opened, so that the coolant through the Exhaust side of the cylinder head and the cylinder block flows to the heater.
  • the exhaust control or the valve, a second control, or a thermostat and the third control element or the block thermostat are opened, so that the coolant through a Exhaust side of the cylinder head, and flows through the inlet side and through the cylinder block to the heater.
  • Phase 5 When the engine is warm (Phase 5), it is contemplated that, in addition to the coolant flow through the heater described in Phase 4, coolant will flow through a radiator and surge tank.
  • a conventional thermostat or a map controlled valve (map thermostat) can be provided as a fourth control.
  • the exemplary four control elements are preferably arranged one behind the other, wherein the respective successive control elements are connected to each other via connecting lines.
  • cooling strategies can be used depending on the operating state of the internal combustion engine.
  • the entire internal combustion engine is cooled, wherein the coolant flows through the exhaust side of the cylinder head and through its inlet side and through the cylinder block to the heater core, to the radiator and to a surge tank.
  • the exhaust gas control element is preferably controlled by the exhaust gas temperature.
  • the valve preferably opens when an operating temperature of the catalytic converter is reached, which can already be the case after a few seconds after starting the internal combustion engine.
  • the corresponding controls are controlled via the coolant temperature, which is why the corresponding controls are designed as a thermostat, preferably as a single-acting thermostat.
  • the coolant temperature in the second phase is preferably less than 50 ° C, wherein the coolant temperature in the third phase may have an amount between 50 to 80 ° C and wherein in the fourth phase, a coolant temperature between 80 to 110 ° C may be present.
  • the engine has reached its operating temperature.
  • the coolant temperature is controlled between 80 ° C (full load) and 110 ° C (part load) depending on the engine operating point.
  • the exemplified temperatures or temperature ranges are not to be regarded as limited to these, but may also have other amounts.
  • a control of an exhaust side of the cylinder head, an inlet side of the cylinder head and the cylinder block is assigned, with another control or thermostat map can be controlled (map thermostat), the controls are controlled separately, so that in a warm-up phase of the internal combustion engine and in a subsequent operation under operating temperature separately selectable cooling regions can be flowed through by the coolant.
  • the coolant circuit has a cylinder block water jacket and a cylinder head water jacket, which is divided into an inlet-side water jacket and an exhaust-side water jacket, a so-called “split cooling system” (separate coolant circuit, cylinder head), wherein the coolant circuit a coolant distributor can be assigned.
  • split cooling system split coolant circuit, cylinder head
  • an integrated and flexible thermal management system for an internal combustion engine in which heat flow from a heat source to a heat sink within the engine and the motor vehicle or any other application depends on the operating conditions of the internal combustion engine and the respective requirement of the vehicle occupant.
  • This includes, inter alia, the function of a cooling system and additional special cooling areas, in which z. B. a heat flow should be avoided as long as the engine is cold. This corresponds for example to the first phase of the warm-up phase of the internal combustion engine, in which no coolant flows.
  • a heat flow is achieved directly in the passenger compartment as soon and effectively as possible.
  • the cooling zones can be divided by themselves, with the "split-cooling system" (separate coolant circuit, cylinder head) in particular being intended here.
  • a faster warming of the internal combustion engine is achieved, whereby at the same time harmful emissions to the Environment be reduced.
  • friction losses are minimized and fuel consumption thereby improved.
  • FIG. 1 shows a cooling strategy for an internal combustion engine 1, which has at least one cylinder head 2 and an associated cylinder block 3.
  • a coolant flows into a coolant circuit 4, wherein the coolant circuit 4 at least one control, in the illustrated embodiment, four control elements 6, 7, 8 and 9 are assigned.
  • the internal combustion engine 1 is assigned a coolant distributor 11, through which the coolant flows into a cylinder block water jacket 12 (FIG. FIG. 3 ) and into a cylinder head water jacket 13 ( FIG. 4 ) flowing into an exhaust side 14 and into an inlet side 16 (FIG. FIG. 4 ) is split (split-cooling system, separate coolant circuit).
  • the coolant circuit 4 further includes a heater 17 (heater core), a surge tank 18, a radiator 19, and a pump 21.
  • the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 is associated with a first control element 6, which is designed as an electrically operable valve.
  • the inlet side 16 of the cylinder head water jacket 13 is associated with a second control element 7, which is designed as a thermostat.
  • the cylinder block water jacket 12 is associated with a third control, which is designed as a thermostat (block thermostat).
  • a map thermostat 9 is assigned as the fourth control in the internal combustion engine 1.
  • FIG. 1 a first phase of a warm-up phase of the internal combustion engine 1 is shown.
  • the internal combustion engine is in a state immediately after its start.
  • All controls 6 to 9, in particular the valve 6 are closed, so that no coolant circulates in the coolant circuit 4.
  • the valve 6 is controlled by an exhaust gas temperature, wherein the interruption of the coolant circulation improved and faster heating of a catalyst, not shown, and the oil heating is achieved.
  • the interruption of the coolant flow in the coolant circuit 4 is represented by the connecting lines shown in dashed lines, wherein the coolant flow has a magnitude of zero.
  • the first phase of the warm-up phase of the internal combustion engine 1 is an improved heating of the structure of the internal combustion engine 1, in particular a improved oil heating achieved. On a warm-up of the passenger compartment, this first phase has no effect. At the same time low thermal losses are achieved both in the combustion chamber of the engine and on the exhaust side.
  • the valve 6 opens (FIG. FIG. 2 ), so that the coolant flows through the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 to the heater 17.
  • FIG. 2 illustrated second phase of the warm-up phase of the internal combustion engine 1 exhaust ports and exhaust manifolds are cooled.
  • the valve 6 is connected to the thermostat 7 via a connecting line 22, wherein the thermostat 7 is connected via a connecting line 23 to the block thermostat 8, which is connected via a connecting line 24 to the map thermostat 9.
  • the map thermostat 9 is connected via a connecting line 26 to the heater 17, which in turn is connected to a connecting line 27 to the pump 21, which transports the coolant via a connecting line 28 to the coolant manifold 11.
  • the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 is connected via a connecting line 29 to the valve 6.
  • the exhaust ports and exhaust manifold are cooled, so that the heater 17, the necessary energy is provided.
  • a heat transfer is achieved in the coolant, where the majority of the heat is generated.
  • low thermal losses are achieved in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • FIG. 3 is a third phase of the warm-up phase of the internal combustion engine 1 is shown, wherein the valve 6 and the block thermostat 8 are opened.
  • the coolant can flow through the exhaust side 14 of the cylinder head 13 and through the cylinder block 3 or through the cylinder head water jacket 13 to the heater 17.
  • the cylinder block water jacket 12 is connected via a connecting line 31 directly to the block thermostat 8.
  • the exhaust ports and exhaust manifold and the cylinder block 3 are cooled.
  • the thermally critical areas are cooled, wherein the heat transfer is achieved in the coolant where heat is generated.
  • the two cooling areas exhaust gas side 14, cylinder block water jacket 12 are connected in parallel.
  • FIG. 4 a fourth phase of the warm-up phase of the internal combustion engine 1 is shown, in which the entire internal combustion engine flows through and is cooled.
  • the valve 6, the thermostat 7 and the block thermostat 8 are opened, so that the coolant through the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 and through its inlet side 16 and through the cylinder block or by the cylinder block water jacket 12 to the heater 17 (by the closed map thermostat ) flows.
  • the inlet side 16 of the cylinder head water jacket 13 is connected via a connecting line 32 to the thermostat 7.
  • a fifth phase (operationally warm engine) is provided that the coolant flows through the map thermostat 9 via a connecting line to the radiator 19, which is connected to the connecting line 27 from the heater 17 to the pump 21.
  • the coolant flows through the surge tank 18, which may be connected to the map thermostat 9 via a connecting line, the surge tank 18 may be connected via a further connecting line to the connecting line 27 from the heater 17 to the pump 21.
  • FIG. 5 is the cooling strategy for the operating warm combustion engine 1 shown under full load.
  • the entire internal combustion engine 1 is cooled, wherein the coolant flows through the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 and through its inlet side 16 and through the cylinder block or cylinder block water jacket 12 to the heater 17, to the radiator 19, and to a surge tank 18.
  • the map thermostat 9 is connected via a connecting line 33 to the radiator 19, which in turn opens via a connecting line 34 into the connecting line 27 from the heater 17 to the pump 11.
  • From the connecting line 33 branches off a connecting line 36 to the surge tank 18, which in turn is connected via a connecting line 37 to the connecting line 27 from the heater 17 to the pump 21.
  • valve 6 can be omitted if the pump 21 or the coolant pump in the coolant circuit 4 is replaced by a controllable coolant pump with zero delivery option.
  • a cooling strategy for a partial load operation of the internal combustion engine at operating temperature in which the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 and the cylinder block 3 and the cylinder head water jacket 13 is cooled, the coolant through the exhaust side 14 of the cylinder head water jacket 13 and through the cylinder block 3 and flows through the cylinder block water jacket 12 to the heater 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlstrategie für einen Verbrennungsmotor (1), der zumindest einen Zylinderkopf (2) und einen zugeordneten Zylinderblock (3) aufweist. Ein Kühlmittel strömt in einen Kühlmittelkreislauf (4), wobei dem Kühlmittelkreislauf (4) zumindest ein Steuerelement (6, 7, 8, 9) zugeordnet ist. Die Kühlmittelströmung wird während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors in aufeinanderfolgenden Phasen mittels der Steuerelemente (6, 7, 8, 9) zu separaten Kühlbereichen gesteuert, wobei der Kühlmittelstrom in einem sich daran anschließenden Betrieb unter Betriebstemperatur mittels der Steuerelemente (6, 7, 8, 9) unter Berücksichtigung von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zu separaten Kühlbereichen gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühlstrategie für einen Verbrennungsmotor, der zumindest einen Zylinderkopf und einen zugeordneten Zylinderblock aufweist, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf strömt, und wobei dem Kühlmittelkreislauf zumindest ein Steuerelement zugeordnet ist.
  • Die EP 1 375 857 A offenbart eine Kühlvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Die Kühlvorrichtung weist mehrere Kühlzellen in einem Zylinderkopf auf, die voneinander getrennt sind und von einer Kühlflüssigkeit durchflossen werden können. Die Kühlvorrichtung umfaßt weiter mindestens erste und zweite Mittel zur Regelung der Durchflußmenge, wobei die Mittel an mindestens eine erste Kühlzelle des Zylinderkopfes und an mindestens eine zweite Kühlzelle des Zylinderkopfes angeschlossen sind. Die ersten und zweiten Mittel sind in der Lage die Menge an Kühlflüssigkeit zu regeln, die jeweils durch jede erste Kühlzelle und durch jede zweite Kühlzelle fließt.
  • Bekannt ist, daß es zweckmäßig ist, den Motorblock und den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors jeweils getrennt voneinander mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs durchströmen zu lassen. Auf diese Weise können der Zylinderkopf, der thermisch vor allem durch die Brennraum- und Kanalwände mit der Verbrennungsluft gekoppelt ist und der Motorblock, der thermisch vor allem mit den Reibstellen gekoppelt ist, unterschiedlich gekühlt werden. Durch ein so genanntes "Split-Cooling-System" (getrennter Kühlmittelkreislauf) soll erreicht werden, daß in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors der Zylinderkopf gekühlt wird, wobei der Motorblock zunächst noch nicht gekühlt werden soll, so daß der Motorblock schneller auf die erforderliche Betriebstemperatur geführt werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlstrategie der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß Reibungsverluste minimiert werden, wobei der Verbrennungsmotor schnellstmöglich auf die erforderliche Betriebstemperatur geführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kühlstrategie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei der Kühlmittelstrom während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors in aufeinanderfolgenden Phasen mittels mindestens einem Steuerelement zu separaten Kühlbereichen gesteuert wird, und daß der Kühlmittelstrom in einem sich daran anschließenden Betrieb unter Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors mittels der Steuerelemente unter Berücksichtigung von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zu separaten Kühlbereichen gesteuert wird.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Kühlwassermäntel die Hauptfunktion aufweisen, die aufgrund der Verbrennung entstehende Hitze abzuführen, wobei die Kühlwassermäntel derart ausgestaltet sein sollten, daß die Temperaturverteilung homogen wird. Überwiegend wird daher für den Volllastbetrieb bei welchem eine maximale Temperatur entsteht, vorgesehen, daß der Kühlwassermantel auf diesen Betriebszustand ausgelegt ist. Mittels der Erfindung jedoch, welche ein integriertes Motorkühlmanagement bzw. eine Kühlstrategie zur Verfügung stellt, können sowohl die Vorteile einer guten Ölaufwärmung, Abgasaufwärmung, Motoraufwärmung und Fahrgastraumaufwärmung schon in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors, als auch eine gute Kühlung des betriebswarmen Motors erreicht werden.
  • Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, daß in einer ersten Phase der Warmlaufphase, das Kühlmittel einen Strömungsbetrag von Null aufweist, wobei das entsprechende, erste Steuerelement geschlossen ist. Das Steuerelement kann beispielsweise als mechanisches oder elektromechanisches Ventil oder elektrisch beheiztes Thermostat ausgeführt sein, welches über die Abgastemperatur gesteuert wird. Direkt nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors weist die Abgastemperatur noch nicht den bevorzugten Temperaturbetrag auf, so daß das Ventil zunächst, bevorzugt für einige Sekunden, geschlossen ist, so daß eine Kühlmittelströmung zunächst unterbrochen wird. In dieser ersten Phase der Warmlaufphase führt dies zu einer wesentlich verbesserten Katalysatoraufwärmung und auch zu einer schnelleren Struktur- und damit Ölaufwärmung. Die bevorzugte Temperatur zum Geschlossenhalten dieses Ventils kann an die Betriebstemperatur des Katalysators gekoppelt sein, und beispielsweise einen Betrag von weniger als 500°C (Katalysator-Funktionsstart-Temperatur) der Abgastemperatur aufweisen.
  • Sobald die Abgastemperatur die Betriebstemperatur des Katalysators erreicht, öffnet das Ventil, so daß günstigerweise vorgesehen ist, daß in einer zweiten Phase der Warmlaufphase Auslaßkanäle und Abgaskrümmer gekühlt werden, so daß der Kühlmittelstrom durch eine Abgasseite des Zylinderkopfes zu einem Heizungswärmetauscher (Heizung) strömen kann. Hierdurch werden die thermisch hoch belasteten Bereiche des Verbrennungsmotors bzw. seines Zylinderkopfes, insbesondere die Abgasseite also die Auslaßkanäle und der Abgaskrümmer gekühlt, wobei das Kühlmittel die dort entstandene Wärme aufnimmt und in den Wärmetauscher überführt, so daß beispielsweise der Fahrgastraum durch die geringeren thermischen Massen über die Heizung schneller aufwärmbar ist.
  • Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß in einer dritten Phase der Warmlaufphase Auslaßkanäle und Abgaskrümmer und der Zylinderblock gekühlt wird, wobei das Abgassteuerelement bzw. das Ventil und ein drittes Steuerelement, bzw. ein Blockthermostat geöffnet sind, so daß das Kühlmittel durch die Abgasseite des Zylinderkopfes und den Zylinderblock zu der Heizung strömt. Zweckmäßigerweise ist in einer vierten Phase der Warmlaufphase vorgesehen, daß der gesamte Verbrennungsmotor gekühlt wird, wobei das Abgassteuerelement bzw. das Ventil, ein zweites Steuerelement, bzw. ein Thermostat und das dritte Steuerelement bzw. des Blockthermostat geöffnet sind, so daß das Kühlmittel durch eine Abgasseite des Zylinderkopfes, und durch dessen Einlaßseite sowie durch den Zylinderblock zu der Heizung strömt.
  • Bei betriebswarmen Motor (Phase 5) ist vorgesehen, daß zusätzlich zu der in Phase 4 beschriebenen Kühlmittelströmung durch die Heizung, daß Kühlmittel durch einen Radiator und einen Ausgleichsbehälter fließt. Hierzu kann beispielsweise ein konventionelles Thermostat oder ein Kennfeld gesteuertes Ventil (Kennfeldthermostat) als viertes Steuerelement vorgesehen werden.
  • Die beispielhaft genannten vier Steuerelemente sind bevorzugt hintereinander angeordnet, wobei die jeweils aufeinander folgenden Steuerelemente miteinander über Verbindungsleitungen verbunden sind.
  • Nachdem der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur erreicht hat, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors unterschiedliche Kühlstrategien zur Anwendung kommen können. Günstigerweise ist in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen, daß seine Auslaßseite des Zylinderkopfes und der Zylinderblock gekühlt werden, wobei das Kühlmittel durch die Abgasseite des Zylinderkopfes und durch den Zylinderblock zum Heizungswärmetauscher strömt. In einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß der gesamte Verbrennungsmotor gekühlt wird, wobei das Kühlmittel durch die Abgasseite des Zylinderkopfes und durch dessen Einlaßseite sowie durch den Zylinderblock zum Heizungswärmetauscher, zum Radiator sowie zu einem Ausgleichsbehälter strömt.
  • Wie bereits oben gesagt, wird in der ersten Phase der Warmlaufphase das Abgassteuerelement bevorzugt von der Abgastemperatur gesteuert. Hierbei öffnet das Ventil vorzugsweise, wenn eine Betriebstemperatur des Katalysators erreicht ist, was schon nach wenigen Sekunden nach dem Anlassen des Verbrennungsmotors der Fall sein kann. Ab der zweiten Phase der Warmlaufphase werden die entsprechenden Steuerelemente über die Kühlmitteltemperatur gesteuert, weswegen die entsprechenden Steuerelemente als Thermostat, bevorzugt als einfach wirkendes Thermostat ausgeführt sind. Zur Betätigung des jeweiligen Steuerelementes bzw. Thermostates beträgt die Kühlmitteltemperatur in der zweiten Phase bevorzugt weniger als 50°C, wobei die Kühlmitteltemperatur in der dritten Phase einen Betrag zwischen 50 bis 80°C aufweisen kann und wobei in der vierten Phase eine Kühlmitteltemperatur zwischen 80 bis 110°C vorliegen kann. In der sich an die vierte Phase der Warmlaufphase anschließenden, fünften Phase, hat der Motor seine Betriebstemperatur erreicht. Die Kühlmitteltemperatur wird abhängig vom Motorbetriebspunkt zwischen 80°C (Volllast) und 110°C (Teillast) geregelt. Selbstverständlich sind die beispielhaft genannten Temperaturen bzw. Temperaturbereiche nicht als auf diese beschränkt anzusehen, sondern können auch andere Beträge aufweisen.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, wenn jeweils ein Steuerelement einer Abgasseite des Zylinderkopfes, einer Einlaßseite des Zylinderkopfes und dem Zylinderblock zugeordnet ist, wobei ein weiteres Steuerelement bzw. Thermostat Kennfeld gesteuert sein kann (Kennfeldthermostat), wobei die Steuerelemente separat ansteuerbar sind, so daß in einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors und in einem sich daran anschließenden Betrieb unter Betriebstemperatur separat auswählbare Kühlbereiche mit dem Kühlmittel durchströmbar sind.
  • Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn der Kühlmittelkreislauf einen Zylinderblockwassermantel und einen Zylinderkopfwassermantel aufweist, der in einen einlaßseitigen Wassermantel und einen abgasseitigen Wassermantel aufgeteilt ist, ein hier so genanntes "Split-Cooling-System" (getrennter Kühlmittelkreislauf, Zylinderkopf), wobei dem Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittelverteiler zugeordnet sein kann.
  • Insgesamt wird somit ein integriertes und flexibles Wärmemanagementsystem für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt, bei dem ein Wärmestrom von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke innerhalb des Motors und des Kraftfahrzeuges oder irgendeiner anderen Anwendung abhängig von den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors und der jeweiligen Anforderung des Fahrzeugsinsassen fließt. Dies beinhaltet unter anderem die Funktion eines Kühlsystems und zusätzlich spezieller Kühlbereiche, in denen z. B. ein Wärmefluß vermieden werden soll, solange der Verbrennungsmotor kalt ist. Dies entspricht beispielsweise der ersten Phase der Aufwärmphase des Verbrennungsmotors, in dem kein Kühlmittel strömt. Gleichzeitig wird vorteilhaft erreicht, daß ein Wärmefluß direkt in den Fahrgastraum so bald und effektiv wie möglich erreicht wird. Die Kühlbereiche können natürlich selbst aufgeteilt sein, wobei hier insbesondere an das "Split-Cooling-System" (getrennter Kühlmittelkreislauf, Zylinderkopf) gedacht ist.
  • Vorteilhafterweise wird mit der erfindungsgemäßen Strategie und der besonderen Ausgestaltung des Verbrennungsmotors eine schnellere Aufwärmung des Verbrennungsmotors erreicht, wodurch gleichzeitig schädliche Emissionen an die Umgebung reduziert werden. Zusätzlich werden Reibungsverluste minimiert und der Kraftstoffverbrauch damit verbessert. Dadurch, daß die Heizung des Fahrgastraumes sehr schnell mit der erforderlichen Kühlmitteltemperatur versorgt werden kann, kann der Fahrgastraum auch im Falle niedriger Außentemperaturen sehr schnell aufgewärmt bzw. die zugeordneten Kraftfahrzeugscheiben, insbesondere die Windschutzscheibe enteist werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Prinzipskizze eines Wärmemanagementsystems eines Verbrennungsmotors, Phase 1.
    Fig. 2
    die Prinzipskizze aus Figur 1 zur Darstellung einer zweiten Phase einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors.
    Fig. 3
    die Prinzipskizze aus Figur 1 zur Darstellung einer dritten Phase einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors,
    Fig. 4
    die Prinzipskizze aus Figur 1 zur Darstellung einer vierten Phase einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors,
    Fig. 5
    die Prinzipskizze aus Figur 1 zur Darstellung der Kühlstrategie bei unterschiedlichen Lastzuständen eines aufgewärmten Verbrennungsmotors, und
    Fig. 6
    eine Tabelle zur Darstellung der einzelnen Phasen.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
  • Figur 1 zeigt eine Kühlstrategie für einen Verbrennungsmotor 1, der zumindest einen Zylinderkopf 2 und einen zugeordneten Zylinderblock 3 aufweist. Ein Kühlmittel strömt in einen Kühlmittelkreislauf 4, wobei dem Kühlmittelkreislauf 4 zumindest ein Steuerelement, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Steuerelemente 6, 7, 8 und 9 zugeordnet sind.
  • Dem Verbrennungsmotor 1 ist ein Kühlmittelverteiler 11 zugeordnet, durch welchen das Kühlmittel in einen Zylinderblockwassermantel 12 (Figur 3) und in einen Zylinderkopfwassermantel 13 (Figur 4) strömen kann, der in eine Abgasseite 14 und in eine Einlaßseite 16 (Figur 4) aufgeteilt ist (Split-Cooling-System; getrennter Kühlmittelkreislauf).
  • Der Kühlmittelkreislauf 4 weist ferner eine Heizung 17 (Heizungswärmetauscher), einen Ausgleichsbehälter 18, einen Radiator 19 und eine Pumpe 21 auf.
  • Der Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 ist ein erstes Steuerelement 6 zugeordnet, welches als elektrisch betreibbares Ventil ausgeführt ist. Der Einlaßseite 16 des Zylinderkopfwassermantels 13 ist ein zweites Steuerelement 7 zugeordnet, welches als Thermostat ausgeführt ist. Dem Zylinderblockwassermantel 12 ist ein drittes Steuerelement zugeordnet, welches als Thermostat (Blockthermostat) ausgeführt ist. Weiter ist im Verbrennungsmotor 1 ein Kennfeldthermostat 9 als viertes Steuerelement zugeordnet.
  • In Figur 1 ist eine erste Phase einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 dargestellt. In dieser ersten Phase befindet sich der Verbrennungsmotor in einem Zustand direkt nach seinem Anlassen. Alle Steuerelemente 6 bis 9, insbesondere das Ventil 6 sind geschlossen, so daß kein Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 4 zirkuliert. Das Ventil 6 wird durch eine Abgastemperatur gesteuert, wobei durch die Unterbrechung der Kühlmittelzirkulation eine verbesserte und schnellere Aufwärmung eines nicht dargestellten Katalysators und der Ölaufwärmung erreicht wird. Die Unterbrechung der Kühlmittelströmung in dem Kühlmittelkreislauf 4 ist durch die gestrichelt dargestellten Verbindungsleitungen dargestellt, wobei die Kühlmittelströmung einen Betrag von Null aufweist.
  • In der ersten Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 wird eine verbesserte Aufwärmung der Struktur des Verbrennungsmotors 1, insbesondere eine verbesserte Ölaufwärmung erreicht. Auf eine Aufwärmgeschwindigkeit des Fahrgastraumes hat diese erste Phase keinen Einfluß. Gleichzeitig werden geringe thermische Verluste sowohl im Brennraum des Verbrennungsmotors als auch abgasseitig erreicht.
  • Erreicht die Abgastemperatur beispielsweise die Arbeitstemperatur des Katalysators öffnet das Ventil 6 (Figur 2), so daß das Kühlmittel durch die Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 zu der Heizung 17 strömt. In der in Figur 2 dargestellten zweiten Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 werden Auslaßkanäle und Abgaskrümmer gekühlt. Wie in Figur 2 dargestellt, ist das Ventil 6 mit dem Thermostat 7 über eine Verbindungsleitung 22 verbunden, wobei das Thermostat 7 über eine Verbindungsleitung 23 mit dem Blockthermostat 8 verbunden ist, das über eine Verbindungsleitung 24 mit dem Kennfeldthermostat 9 verbunden ist. Das Kennfeldthermostat 9 ist über eine Verbindungsleitung 26 mit der Heizung 17 verbunden, die wiederum mit einer Verbindungsleitung 27 mit der Pumpe 21 verbunden ist, welche das Kühlmittel über eine Verbindungsleitung 28 zum Kühlmittelverteiler 11 transportiert. Die Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 ist über eine Verbindungsleitung 29 mit dem Ventil 6 verbunden.
  • In der zweiten Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 werden die Auslaßkanäle und Abgaskrümmer gekühlt, so daß der Heizung 17 die notwendige Energie zur Verfügung gestellt wird. Hierbei wird ein Wärmetransport in das Kühlmittel erreicht, dort wo der größte Teil der Wärme generiert wird. Gleichzeitig werden geringe thermische Verluste im Brennraum des Verbrennungsmotors erreicht.
  • In Figur 3 ist eine dritte Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 dargestellt, wobei das Ventil 6 und das Blockthermostat 8 geöffnet sind. Hierdurch kann das Kühlmittel durch die Abgasseite 14 des Zylinderkopfes 13 und durch den Zylinderblock 3 bzw. durch den Zylinderkopfwassermantel 13 zu der Heizung 17 strömen. Der Zylinderblockwassermantel 12 ist über eine Verbindungsleitung 31 direkt mit dem Blockthermostat 8 verbunden.
  • Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung sind die Auslaßkanäle und Abgaskrümmer und der Zylinderblock 3 kühlbar. In der dritten Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 werden die thermisch kritischen Bereiche gekühlt, wobei der Wärmetransport in das Kühlmittel dort erreicht wird wo Wärme generiert wird. Die zwei Kühlbereiche (Abgasseite 14, Zylinderblockwassermantel 12) sind parallel geschaltet.
  • In Figur 4 ist eine vierte Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 dargestellt, bei welcher der gesamte Verbrennungsmotor durchströmt und gekühlt wird. Das Ventil 6, das Thermostat 7 und das Blockthermostat 8 sind geöffnet, so daß das Kühlmittel durch die Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 und durch dessen Einlaßseite 16 sowie durch den Zylinderblock bzw. durch den Zylinderblockwassermantel 12 zu der Heizung 17 (durch das geschlossene Kennfeldthermostat 9) strömt. Die Einlaßseite 16 des Zylinderkopfwassermantels 13 ist über eine Verbindungsleitung 32 mit dem Thermostat 7 verbunden.
  • In der vierten Phase der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 1 wird eine Homogenisierung der Motortemperaturverteilung erreicht, wobei geringe thermische Verluste im Brennraum vorliegen. Gleichzeitig wird ein höherer Wärmeübergang in das Öl aufgrund des höheren Temperaturniveaus erreicht. Die drei Kühlbereiche (Abgasseite 14, Einlaßseite 16, Zylinderblockwassermantel 12) sind parallel geschaltet.
  • In einer fünften Phase (betriebswarmer Motor) ist vorgesehen, daß das Kühlmittel durch das Kennfeldthermostat 9 über eine Verbindungsleitung zum Radiator 19 strömt, welcher mit der Verbindungsleitung 27 von der Heizung 17 zur Pumpe 21 verbunden ist. Zudem ist vorgesehen, daß das Kühlmittel durch den Ausgleichsbehälter 18 strömt, welcher mit dem Kennfeldthermostat 9 über eine Verbindungsleitung verbunden sein kann, wobei der Ausgleichsbehälter 18 über eine weitere Verbindungsleitung mit der Verbindungsleitung 27 von der Heizung 17 zur Pumpe 21 verbunden sein kann.
  • In Figur 5 ist die Kühlstrategie für den betriebswarmen Verbrennungsmotor 1 unter Volllast dargestellt. Hierbei wird der gesamte Verbrennungsmotor 1 gekühlt, wobei das Kühlmittel durch die Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 und durch dessen Einlaßseite 16 sowie durch den Zylinderblock bzw. den Zylinderblockwassermantel 12 zu der Heizung 17, zu dem Radiator 19 sowie zu einem Ausgleichsbehälter 18 strömt. Hierbei ist das Kennfeldthermostat 9 über eine Verbindungsleitung 33 mit dem Radiator 19 verbunden, der seinerseits über eine Verbindungsleitung 34 in die Verbindungsleitung 27 von der Heizung 17 zur Pumpe 11 mündet. Von der Verbindungsleitung 33 zweigt eine Verbindungsleitung 36 zum Ausgleichsbehälter 18 ab, der seinerseits über eine Verbindungsleitung 37 mit der Verbindungsleitung 27 von der Heizung 17 zur Pumpe 21 verbunden ist.
  • Möglich ist, daß das Ventil 6 entfallen kann, wenn die Pumpe 21 bzw. die Kühlmittelpumpe im Kühlmittelkreislauf 4 durch eine regelbare Kühlmittelpumpe mit Null-Förderungsoption ersetzt wird.
  • Nicht dargestellt ist eine Kühlstrategie für einen Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors unter Betriebstemperatur, bei dem die Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 und der Zylinderblock 3 bzw. der Zylinderkopfwassermantel 13 gekühlt wird, wobei das Kühlmittel durch die Abgasseite 14 des Zylinderkopfwassermantels 13 und durch den Zylinderblock 3 bzw. durch den Zylinderblockwassermantel 12 zu der Heizung 17 strömt.

Claims (9)

  1. Kühlstrategie für einen Verbrennungsmotor, der zumindest einen Zylinderkopf (2) und einen zugeordneten Zylinderblock (3) aufweist, wobei ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf (4) strömt, wobei den Kühlmittelkreislauf (4) zumindest ein Steuerelement (6, 7, 8, 9) zugeordnet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kühlmittelstrom während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors in aufeinanderfolgenden Phasen mittels der Steuerelemente (6, 7, 8, 9) zu separaten Kühlbereichen gesteuert wird, wobei
    - eine Kühlmittelströmung in einer ersten Phase einen Betrag von Null aufweist, wobei
    - in einer zweiten Phase Auslaßkanäle und Abgaskrümmer gekühlt werden, wobei
    - in einer dritten Phase zusätzlich der Zylinderblock gekühlt wird, und wobei
    - in einer vierten Phase der gesamte Verbrennungsmotor gekühlt wird, und daß der Kühlmittelstrom in einem sich an die Warmlaufphase anschließenden Betrieb unter Betriebstemperatur mittels der Steuerelemente (6, 7, 8, 9) unter Berücksichtigung von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zu separaten Kühlbereichen gesteuert wird.
  2. Kühlstrategie nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der ersten Phase der Warmlaufphase das Kühlmittel einen Strömungsbetrag von Null aufweist, wobei zumindest ein erstes Steuerelement (6) geschlossen ist.
  3. Kühlstrategie nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der zweiten Phase der Warmlaufphase in der die Auslaßkanäle und Abgaskrümmer gekühlt werden, ein erstes Steuerelement (6) geöffnet ist, so daß der Kühlmittelstrom durch eine Abgasseite (14) des Zylinderkopfes (2) bzw. des Zylinderkopfwassermantels (13) zu einer Heizung (17) strömt.
  4. Kühlstrategie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der dritten Phase der Warmlaufphase in der die Auslaßkanäle und Abgaskrümmer und der Zylinderblock (3) gekühlt wird, ein erstes Steuerelement (6) und ein drittes Steuerelement (8) geöffnet sind, so daß das Kühlmittel durch die Abgasseite (14) des Zylinderkopfes (2) und den Zylinderblock (3) zu einer Heizung (17) strömt.
  5. Kühlstrategie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in der vierten Phase der Warmlaufphase in welcher der gesamte Verbrennungsmotor (1) gekühlt wird, ein erstes Steuerelement (6), ein zweites Steuerelement (7) und ein drittes Steuerelement (8) geöffnet ist, so daß das Kühlmittel durch eine Abgasseite (14) des Zylinderkopfes (2) und durch dessen Einlaßseite (16) sowie durch den Zylinderblock (3) zu einer Heizung (17) strömt.
  6. Kühlstrategie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in einem Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors (1) unter Betriebstemperatur eine Auslaßseite (14) des Zylinderkopfes (2) und der Zylinderblock (3) gekühlt wird, wobei das Kühlmittel durch eine Abgasseite (14) des Zylinderkopfes (2) und durch den Zylinderblock (3) zu einer Heizung (17) strömt, und wobei ein erstes Steuerelement (6) und ein drittes Steuerelement (8) geöffnet sind.
  7. Kühlstrategie nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, daß
    in einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors unter Betriebstemperatur der gesamte Verbrennungsmotor (1) gekühlt wird, wobei das Kühlmittel durch eine Abgasseite (14) des Zylinderkopfes (2) und durch dessen Einlaßseite (16) sowie durch den Zylinderblock (3) zu einer Heizung (17), einem Radiator (18) sowie einem Ausgleichsbehälter (18) strömt.
  8. Getrennter Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors, der zumindest einen Zylinderkopf (2) und einen zugeordneten Zylinderblock (3) aufweist, wobei ein Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf (4) strömt, der mittels Steuerelementen (6, 7, 8, 9) getrennt ansteuerbar ist, insbesondere zur Durchführung der Kühlstrategie nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    jeweils ein Steuerelement (6, 7, 8 oder 9) einer Abgasseite (14) des Zylinderkopfes (2), einer Einlaßseite (16) des Zylinderkopfes (2) und dem Zylinderblock (3) zugeordnet ist, wobei ein weiteres Steuerelement (9) Kennfeld gesteuert ist, wobei die Steuerelemente (6, 7, 8, 9) separat ansteuerbar sind, so daß in aufeinander folgenden Phasen einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors und in einem sich daran anschließenden Betrieb unter Betriebstemperatur separat ansteuerbare Kühlbereiche mit dem Kühlmittel durchströmbar sind.
  9. Getrennter Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kühlmittelkreislauf (4) einen Zylinderblockwassermantel (12) und einen Zylinderkopfwassermantel (13) aufweist, der in einen einlaßseitigen Wassermantel (16) und in einen abgasseitigen Wassermantel (14) aufgeteilt ist, wobei dem Kühlmittelkreislauf (4) ein Kühlmittelverteiler (11) zugeordnet ist.
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