EP2299083B1

EP2299083B1 - Kühlsystem

Info

Publication number: EP2299083B1
Application number: EP20100170841
Authority: EP
Inventors: Peter Schubert; Carl Bohman
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: EP2299083A1; DE102009028827A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor.
Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren können durch die Verwendung von Abgasrückführungssystemen reduzierte Schadstoffwerte in ihren Abgasen erreichen. Ein Abgasrückführungssystem leitet einen Teil der Abgase, die der Verbrennungsmotor an seiner Auslassseite abgibt, zur Einlassseite des Verbrennungsmotors zurück. Eine weitere Reduzierung von Schadstoffen kann erzielt werden, indem die Abgase im Abgasrückführungssystem zusätzlich gekühlt werden.
Übliche Abgasrückführungssysteme sind mit einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden, wobei im Kühlkreislauf ein Kühlmittel zirkuliert, um Wärme aufzunehmen und zu transportieren. Überschüssige Wärme wird mittels eines Radiators des Kühlkreislaufs an eine Umgebungsluft abgegeben. Während einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors wird ein Fließen von Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor gedrosselt oder ganz unterbunden, um eine rasche Aufheizung des Verbrennungsmotors zu erlauben. In üblichen Kühlsystemen fließt dann auch kein Kühlmittel durch das Abgasrückführungssystem. Das Abgasrückführungssystem wird dabei thermisch stark belastet, was eine Lebensdauer und eine Betriebssicherheit des Abgasrückführungssystems beeinträchtigen kann. Außerdem werden Schadstoffe weniger stark als in einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors reduziert, was eine zusätzliche Umweltbelastung darstellt.
Ein Turbolader des Verbrennungsmotors, der ebenfalls mittels Kühlmittel gekühlt wird, kann entsprechende thermische Anforderungen wie das Abgasrückführungssystem stellen.
Die WO 2009/085055 A1 zeigt ein Kühlsystem, bei dem ein Verbrennungsmotor und ein Abgasrückführungssystem mittels unterschiedlicher Kreisläufe eines flüssigen Kühlmittels gekühlt werden können, wobei die Flüssigkeiten beider Kreisläufe mittels eines einzigen Radiators kühlbar sind.
Aus der 1995424 A2 ist ferner ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor mit zwei Kühlmittelpfaden bekannt, wobei die zwei Kühlmittelpfade parallel zu einem Radiator ausgelegt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Kühlsystem anzugeben.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben mögliche Ausgestaltungen an.
Erfindungsgemäß verläuft ein erster Kühlmittelpfad durch einen Verbrennungsmotor und ein zweiter Kühlmittelpfad durch ein Abgasrückführungssystem, wobei beide Kühlmittelpfade parallel mit einem Radiator verbunden sind. So ist ein Zirkulieren von Kühlmittel durch das Abgasrückführungssystem unabhängig von einem Zirkulieren von Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor möglich. Mittels einer Kühlmittelpumpe wird Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor gefördert. Ist die Auslassseite der Kühlmittelpumpe zugänglich, so kann der durch die Kühlmittelpumpe bereitgestellte Strom von Kühlmittel auch durch das Abgasrückführungssystem geleitet werden. Dazu ist ein steuerbares erstes Kühlmittelventil vorgesehen, um die Kühlwirkung des Abgasrückführungssystems zu steuern.
Das Abgasrückführungssystem kann ein Abgasrückführungsvenfil und einen Abgasrückführungskühler umfassen, die parallel von Kühlmittel durchströmt werden. Dies erlaubt eine verbesserte Kühlung und so eine Erhöhung der Betriebssicherheit des Abgasrückführungsventils bei verbesserter Schadstoffreduktion.
Mittels eines zweiten Kühlmittelventils kann aus dem Verbrennungsmotor austretendes Kühlmittel in einem ersten Strom unmittelbar zum Radiator zurückgeführt werden und in einem zum ersten Strom parallelen zweiten Strom durch einen ersten Wärmetauscher zum Radiator zurückgeführt werden. Der erste Wärmetauscher kann zu einem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors gehören, so dass ein Aufwärmvorgang des Verbrennungsmotors unabhängig von einer Kühlung des Abgasrückführungssystems und des Verbrennungsmotors gesteuert werden kann.
Das zweite Kühlmittelventil kann auch einen weiteren Strom von Kühlmittel zu einem zweiten Wärmetauscher steuern, der Teil einer Innenraumheizung des Kraftfahrzeuges ist. So kann ein übliches Drei-Wege-Ventil verwendet werden, um einen Kühlkreislauf durch den Verbrennungsmotor zu steuern, der unabhängig von einer Kühlung der Abgasrückführung ist. Das zweite Kühlmittelventil kann ein Drei-Wege-Ventil mit einer Steuerscheibe sein, so dass durch Verdrehen der Steuerscheibe die Kühlverhältnisse zwischen dem Radiator, dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher gekoppelt beeinflusst werden. Eine Anzahl von Aktuatoren kann so minimiert werden und eine Steuereinrichtung für das Drei-Wege-Ventil kann entsprechend einfacher ausgelegt sein.

Kurze Beschreibung der Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert, in denen:

Fig. 1 ein bekanntes Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor und
Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems darstellen.

Figur 1 zeigt ein bekanntes Kühlsystem 100 für einen Verbrennungsmotor 105. Das Kühlsystem 100 umfasst einen Radiator 110, der mit einem ersten Kühlmittelpfad 115 und einem zweiten Kühlmittelpfad 120 verbunden ist Der Radiator 110 umfasst auf seiner rechten Seite einen Einlass für Kühlmittel von hoher Temperatur und auf seiner linken Seite einen Auslass für Kühlmittel von niedriger Temperatur. Das Kühlmittel kann beispielsweise durch Wasser, Glykol, Alkohol oder andere Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeitsgemische gebildet sein. Der Radiator ist üblicherweise als Wärmetauscher mit einer Umgebungsluft ausgeführt und kann zwangsbelüftet sein, etwa mittels eines Gebläses (nicht dargestellt), das elektrisch oder mittels des Verbrennungsmotors 105 angetrieben sein kann.
Der erste Kühlmittelpfad 115 beginnt am Auslass des Radiators 110 und führt von dort zu einer ersten Kühlmittelpumpe 125. Die erste Kühlmittelpumpe 125 wird üblicherweise vom Verbrennungsmotor 105 angetrieben und kann sich in einem Gehäuse befinden, welches an den Verbrennungsmotor 105 angeflanscht oder unmittelbar am Verbrennungsmotor 105 ausgebildet ist. Der erste Kühlmittelpfad 115 setzt sich von der ersten Kühlmittelpumpe 125 zum Verbrennungsmotor 105 fort. Diese Verbindung kann derartig mit dem Verbrennungsmotor 105 integriert sein, dass sie von außen praktisch nicht zugänglich ist.
Der erste Kühlmittelpfad 115 verläuft weiter durch den Verbrennungsmotor 105, der ein Hubkolbenmotor oder ein anderer Verbrennungsmotor sein kann. Vom Verbrennungsmotor 105 aus verläuft der erste Kühlmittelpfad 115 in ein Drei-Wege-Ventil 130.
Das Drei-Wege-Ventil 130 ist üblicherweise ein Schieberventil, welches eine Steuerscheibe mit Steuer-Öffnungen umfasst. Alternativ kann das Drei-Wege-Ventil 130 ein Wachs-Dehnstoffthermostat mit drei Anschlüssen sein. Mittels einer zusätzlichen elektrischen Heizung kann das Wachs-Dehnstoffthermostat in seinem Durchlassverhalten beeinflussbar sein. Eine Seite der Steuerscheibe ist fluiddicht in einem Anschluss E des Drei-Wege-Ventils 130 verbunden. Die Steuerscheibe ist um eine Achse drehbar angeordnet, so dass die Steueröffnungen mehr oder weniger mit Öffnungen fluchten, die zu drei verschiedenen Auslässen A, B und C des Drei-Wege-Ventils 130 führen. Je nach Ausformung der Steueröffnungen besteht ein vorgegebener Zusammenhang zwischen einem Steuerwinkel der Steuerscheibe des Drei-Wege-Ventils 130 und effektiven Durchlassquerschnitten vom Anschluss E zu den Anschlüssen A, B und C. Der Steuerwinkel der Steuerscheibe wird üblicherweise mittels eines Elektromotors (nicht dargestellt) in Abhängigkeit einer oder mehrerer Temperaturen des Kühlsystems 100 gesteuert.
Der erste Kühlmittelpfad 115 verläuft vom Drei-Wege-Ventil 130 weiter durch den Anschluss C zum Einlass des Radiators 110. Ein weiterer Teil des ersten Kühlmittelpfads 115 verläuft vom Drei-Wege-Ventil 130 durch den Anschluss B zum Ölkühler 135 und von diesem zum Auslass des Radiators 110. Der Ölkühler 135 ist mit einem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors 105 verbunden und kann sowohl dazu verwendet werden, Wärme in den Ölkreislauf einzutragen, um den Verbrennungsmotor 105 in einer Warmlaufphase möglichst rasch und gleichmäßig auf eine Betriebstemperatur zu erwärmen, oder In einer Betriebsphase Wärme aus dem Verbrennungsmotor 105 abzuführen, so dass eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors 105 nicht überstiegen wird. Noch ein weiterer Teil des ersten Kühlmittelpfads 115 verläuft vom Drei-Wege-Ventil 130 durch dessen Anschluss A zu einer Innenraumheizung 140 und von dort zum Auslass des Radiators 110. Die Rückführung von Kühlmittel vom Ölkühler 135 und der Innenraumheizung 140 zum Auslass des Radiators 110 ist so gewählt, um den Ölkühler 135, die Innenraumheizung 140 und den Radiator 110 parallel zum Wärmeabtransport aus dem Verbrennungsmotor 105 verwenden zu können. Dabei steuert das Drei-Wege-Ventil 130 jeweils die Verteilung von Kühlmittel und damit die Verteilung von Wärme an den Ölkühler 135, die Innenraumheizung 140 und den Radiator 110.
Der zweite Kühlmittelpfad 120 verläuft vom Auslass des Radiators 110 zu einer zweiten Kühlmittelpumpe 145. Die zweite Kühlmittelpumpe 145 kann elektrisch angetrieben und mittels des Antriebs in ihrer Förderleistung steuerbar sein. Von der zweiten Kühlmittelpumpe 145 aus verläuft der zweite Kühlmittelpfad 120 in ein Abgasrückführungssystem 170, das einen Abgasrückführungskühler 150 und ein Abgasrückführungsventil 155 umfasst, wobei Kühlmittel durch den Abgasrückführungskühler 150 und das Abgasrückführungsventil 155 parallel fließt. Für die Erfindung ist es unerheblich, ob Anschlüsse des Abgasrückführungskühlers 150 und des Abgasrückführungsventils 155 innerhalb oder außerhalb des Abgasrückführungssystems 170 miteinander verbunden sind. In einer weiteren Ausführungsform strömt das Kühlmittel zuerst durch das Abgasrückführungsventil 155 und von dort aus in den Abgasrückführungskühler 150. Die umgekehrte Reihenfolge ist ebenfalls möglich. Vom Verbrennungsmotor 105 ausgestoßene Abgase werden durch den Abgasrückführungskühler 150 und das Abgasrückführungsventil 155 zurück zu einem Verbrennungstrakt des Verbrennungsmotors 105 geleitet.
Außerdem verläuft der zweite Kühlmittelpfad 120 optional (angedeutet durch gestrichelte Linien) durch einen mit dem Turbolader 190 für den Verbrennungsmotor 105. Der Turbolader 190 ist parallel zum Abgasrückführungssystem 170 im zweiten Kühlmittelpfad 120 angeschlossen, um eine maximale Kühlwirkung des Turboladers 190 auch während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 105 bereitzustellen. Alternativ kann der Turbolader 190 seriell mit dem Abgasrückführungskühler 150 und/oder mit dem Abgasrückführungsventil 155 verbunden sein. In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Turbolader 190 einige oder alle Elemente des Abgasrückführungssystems 170 ersetzen.
Der Turbolader 190 erwärmt sich üblicherweise schneller als der Verbrennungsmotor 105, so dass während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 105 eine Kühlung des Turboladers 190 erforderlich sein kann, die durch den zweiten Kühlmittelpfad 120 bereitgestellt wird. Ein Fließen von Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor 105 ist zur Kühlung des Abgasrückführungssystems 170 oder des Turboladers 190 nicht erforderlich. Durch verbesserte Kühlung des Turboladers 190 in der Betriebsphase der Verbrennungsmotors 105 mittels Kühlmittel der geringsten im Kühlsystem 100 verfügbaren Temperatur kann sich eine Lebensdauer des Turboladers 190 erhöhen.
Vom Abgasrückführungsventil 155 und dem Abgasrückführungskühler 150 setzt sich der zweite Kühlmittelpfad 120 zu einer Rückflusssperre 180 und von dort aus zum Einlass des Radiators 110 fort. Die Rückflusssperre 180 ist dazu eingerichtet, einen Fluss von Kühlmittel entgegen der in Figur 1 angedeuteten Pfeilrichtung des zweiten Kühlmittelpfades 120 und insbesondere einen Rückfluss von heißem Kühlmittel vom Einlass des Radiators 110 in das Abgasrückführungssystem 170 zu verhindern. Die Rückflusssperre 180 kann alternativ auch zwischen dem Auslaß des Radiators 110 und der Saugseite der zweiten Kühlmittelpumpe 145 Bestandteil des zweiten Kühlmittelpfades 120 sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Rückflusssperre 180 mit der zweiten Kühlmittelpumpe 145 integriert ausgeführt sein, entweder durch Integration in ein Bauelement oder durch eine ohnehin durch die zweite Kühlmittelpumpe 145 realisierte Sperrwirkung, beispielsweise falls die zweite Kühlmittelpumpe 145 als Membran- oder Kolbenpumpe ausgeführt ist.
Der Abgasrückführungskühler 150 ist üblicherweise ebenfalls als Wärmetauscher mit dem Kühlmittel des zweiten Kühlmittelpfades 120 ausgeführt. Das Abgasrückführungsventil 155 kann einen elektrischen Stellmotor (nicht dargestellt) umfassen, der mittels einer Steuereinrichtung angesteuert sein kann. Abgase im Bereich des Abgasrückführungsventils 155 können Temperaturen von 600 °C und mehr erreichen, so dass ein ungekühltes Abgasrückführungsventil 155 thermisch so stark belastet werden kann, dass der Stellmotor und ggf. die Steuereinrichtung überhitzen.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 200 als Alternative zum bekannten Kühlsystem 100 aus Figur 1. Die erste Kühlmittelpumpe 125 fördert Kühlmittel sowohl zum ersten Kühlmittelpfad 115 als zum zweiten Kühlmittelpfad 120. Ansonsten verläuft der erste Kühlmittelpfad 115 wie in Figur 1 dargestellt. Der zweite Kühlmittelpfad 120 verläuft von der Auslassseite der ersten Kühlmittelpumpe 125 zu einem optionalen Kühlmittelventil 160. Aus dem Kühlmittelventil 160 verläuft der zweite Kühlmittelpfad 120 parallel durch den Abgasrückführungskühler 150 und das Abgasrückführungsventil 155 und gemeinsam zum Einlass des Radiators 110. Das Kühlmittelventil 160 kann alternativ auch in der Verbindung vom Abgasrückführungskühler 150 und dem Abgasrückführungsventil 155 zum Radiator 110 vorgesehen werden.
Vorzugsweise ist das Kühlmittelventil 160 steuerbar, so dass ein Strom von Kühlmittel durch den Abgasrückführungskühler 150 und das Abgasrückführungsventil 155 im Rahmen der Förderung von Kühlmittel durch die erste Kühlmittelpumpe 125 steuerbar ist. Eine Steuerung kann proportional mittels eines Servoventils oder getaktet erfolgen. Die Steuerung kann beispielsweise in Abhängigkeit einer oder mehrerer Temperaturen im Kühlsystem 200 durchgeführt werden. Die Steuerung kann ferner die Stellung des Drei-Wege-Ventils 130 berücksichtigen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Rückflusssperre 180 mit dem Kühlmittelventil 160 integriert ausgeführt sein. Ein steuerbares Kühlmittelventil 160 kann auch die Funktionalität der Rückflusssperre 180 mit bereitstellen, indem es nur dann geöffnet wird, wenn ein Rückfluss von Kühlmittel vom Eingang des Radiators 110 ins Abgasrückführungssystem 170 nicht zu befürchten ist. Dies kann anhand von Druck-, oder Temperaturmessungen innerhalb des Kühlsystems 200 bestimmt und/oder aus Betriebszuständen von Ventilen und Pumpen im Kühlkreislauf 200 abgelesen werden.
Das Kühlsystem 200 bietet gegenüber dem Kühlsystem 100 aus Figur 1 den Vorteil, dass keine zusätzliche Kühlmittelpumpe 145 erforderlich ist. Voraussetzung für einen Einsatz des Kühlsystems 200 ist allerdings eine Zugänglichkeit der Verbindung zwischen der ersten Kühlmittelpumpe 125 und dem Verbrennungsmotor 105.

Claims

Kühlsystem (100) für einen Verbrennungsmotor (105) und ein Abgasrückführungssystem (170), mit
- einem ersten Kühlmittelpfad (115), der durch den Verbrennungsmotor (105) verläuft;
einem Radiator (110) und
einem zweiten Kühlmittelpfad (120), der durch das Abgasrückführungssystem (170) verläuft,

- wobei der erste Kühlmittelpfad (115) und der zweite Kühlmittelpfad (120)
parallel mit dem Radiator (110) verbunden sind,
gekennzeichnet durch

- eine Kühlmittelpumpe (125), die den Radiator (110) mit beiden Kühlmittelpfaden (115,120) verbindet; und

- ein steuerbares erstes Kühlmittelventil (160), durch das der zweite Kühlmittelpfad (120) verläuft.
Kühlsystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasrückführungssystem (170) ein Abgasrückführungsventil (155) und einen Abgasrückführungskühler (150) umfasst und dass der zweite Kühlmittelpfad (120) parallel durch das Abgasrückführungsventil (155) und den Abgasrückführungskühler (150) verläuft.
Kühlsystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen ersten Wärmetauscher (135) und ein zweites Kühlmittelventil (130), das dazu eingerichtet ist, einen ersten Strom von Kühlmittel vom Verbrennungsmotor (105) durch den ersten Wärmetauscher (135) zum Verbrennungsmotor (105) und einen zweiten Strom von Kühlmittel vom Verbrennungsmotor (105) zum Radiator (110) zu steuern.
Kühlsystem (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmetauscher (140), wobei das zweite Kühlmittelventil (130) dazu eingerichtet ist, einen dritten Strom von Kühlmittel vom Verbrennungsmotor (105) zum zweiten Wärmetauscher (140) zu verteilen.
Kühlsystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Strom von Kühlmittel aus dem zweiten Wärmetauscher (140) am Radiator (110) vorbei zum Verbrennungsmotor (105) verläuft.
Kühlsystem (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kühlmittelventil (130) ein Drei-Wege-Ventil mit einer Steuerscheibe ist.