Einrichtung und Verfahren zum Kuhlen und Vorwarmen 5 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kuhlen und Vorwarmen, insbesondere von Getriebeöl, einer Brennkraftmaschine. mit einem Ausgleichsbehälter, mit mindestens einem Wasserkuhler. der mittels Motorthermostat bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur in den Kuhlkreislauf einschaltbar ist und mit Wasser/Ol - Wärmetauscher Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen und Vorwarmen in Oftmals erfolgt die Olkühlung mittels Öl/Luftkühlern unter Verwendung eines auf entsprechende Oltempcraturen ansprechenden Thermostaten Diese Losungen sind zwar bei kleineren Kühlergroßen recht effektiv, fuhren jedoch bei großer geforderter Kühlleistung und entsprechend größeren Kühlern dazu, daß in manchen Betriebszustanden zu niedrige 01- temperaturen vorliegen, die den Kraftstoffverbrauch und die Lebensdauer der Brennkraft-
1 maschine negativ beeinflussen
Deshalb ist man bereits vor geraumer Zeit dazu übergegangen, die Oltemperatur zu optimieren, d h je nach Bedarf zu kühlen oder auch aufzuheizen Dazu ist ein zusätzlicher Ol/Wasser-Wärmetauscher in dem Kuhlkreislauf integriert, der mittels eines auf die Oltemperatur ansprechenden Thermostaten je nach Bedarf zu - oder abgeschaltet wird Oftmals
20 sind diese Thermostaten mit einer elektrischen Ansteuerung zu aktivieren Diese Lösungsgruppe vermag zwar optimierte Öltemperaturen bereitzustellen, besitzt aber auch anlagen- seitig beträchtliche Kosten
Ferner wei den zur Getriebeόlkuhlung in den normalen Wasserkreislauf integrierte Ol/Wasser-Warmetauscher eingesetzt, die oftmals in einem Wasserkasten des Wasserkuh-
25 lers eingeschlossen angeordnet sind, aber auch separat vorgesehen sein können In dieser Lösungsgnippe wird nur die Kühlung aber nicht die Vorwarmung beziehungsweise die Aufheizung erzielt
In der DE-OS 41 04 093 ist das Problem angesprochen worden, daß es in der .Startphase des Verbrennungmotors sowohl um die schnelle Aufheizung des Passagierraumes als auch um ) die schnelle Erreichung der Betriebstemperarur des Motors und des Getriebeöles geht Um diesen sich teilweise entgegenstehenden Restriktionen besser entsprechen zu können, hat man hier quasi ein Kühl-Management-System vorgestellt, bei dem ein Microprozessor auf Grund von Signalen einer Reihe von Temperaturfühlern in den verschiedenen Kreislaufen 5 die Leistung der verschiedenen Wärmetauscher beeinflussen soll. Diese Anlage scheint recht teuer zu sein sowie eine komplizierte und deshalb auch anfällige technische Struktur zu besitzen
Ausgehend von dem dargelegten Stand der Technik, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine effizient arbeitende sowie kompakte und kostengünstige Einrichtung zum Kuhlen und Vorwarmen von Betriebsstoffen, insbesondere Getriebeöl, für Verbrennungskraftmaschinen vorzustellen, mit der sowohl eine zugige Aufwärmung des Getriebeöles in der Startphase des Motors ohne wesentliche Beeinträchtigung der Aufheizung des Passagierraumes erreicht werden kann ais auch eine effizientere Olkühlung möglich ist, ohne zusatzliche luft-oder wassergekühlte Ölkühler einsetzen zu müssen. Ferner soll ein dazugehöriges Verfahren zum Kuhlen und Aufheizen angegeben werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß mit den in den Patentansprüche angegebenen Merkmaien gelost
Die erfindungsgemaße Einrichtung weist nur einen einzigen Wasser/Ol-Warmetauscher auf, der sowohl zur Aufheizung als auch zur Kühlung von Betriebsstoffen, insbesondere Getriebeöl, verwendbar ist. Dazu ist eine Ventileinheit vorgesehen, die den Vorlaufstrom des ge- nannten Wärmetauschers steuert In der Heizphase erhält der Wärmetauscher einen aus dem durch den Betrieb des Verbrennungsmotors schnell angewärmten Hauptkuhlkreisiauf abgezweigten Kühlwasserstrom. Diese Menge ist jedoch so gering, daß die Anwarmung des Verbrennungsmotors selbst sowie die Aufheizung des Passagierraumes kaum beeinträchtigt werden. In der Kύhlphase hingegen wird der Vorlaufstrom mittels der gleichen Ventileinheit im Kühlmittelnebenstrom im wesentlichen aus dem Niedeπemperaturbereich des Wasserkϋhlers gebildet Alternativ oder zusätzlich zu dem Nierdertemperaturberich des Wasser uhlers kann mindestens ein weiterer Niedertemperatur-Kühler vorgesehen sein, der dem erstgenannten Wasserkühier im Nebenstrom liegend nachgeschaltet ist. Durch den Niedeπemperaturbereich, der mittels einer zusatzlichen Durchstromung eines Teiles des Wasserkühlers realisier- bar ist, erhält der Wasser/Ol- Wärmetauscher einen Kühlwasserstrom, der um etwa 10°C niedriger ist, wodurch die Temperaturdifferenz Ol zu Wasser vergrößeπ und die Kuhlwirkung verbesseπ wird Durch den separaten Niedeπemperatur-Kühler lassen sich noch höhere Temperaturdifferenzen realisieren. Femer ist hier die Möglichkeit einer von dem Wasserkühler unabhängigen und platzsparenden Anordnung gegeben Bei einer Temperatur von etwa 80 bis 90°C befindet sich ein Übergangsbereich zwischen Heizphase und Kühlphase, in dem der Vorlaufstrom des Wärmetauschers aus dem Aus- gleichsbehalter mit dem aus dem Niedeπemperaturbereich des Wasserkuhlers oder alternativ aus dem separaten Niedeπemperatur-Kühler gemischt ist. Somit ist sowohl die Getriebeöl-
kuhlung in allen Betriebssituationen als auch die Aufheizung nur mittels dieses einen Wärmetauschers möglich
Zusatzlich wird zur Optimierung der Oltemperatur dadurch beigetragen, daß einem minimalen Dauerstrom aus dem Ausgleichsbehälter, also einem Strom höherer Temperatur, ein Vorlaufstrom aus dem Niedeπemperaturbereich des Wasserkuhlers oder aus dem separaten Niedeπemperatur-Kühler beigemischt wird Zu niedrige Oltemperaturen mit ihren negativen Folgeerscheinungen, wie sie insbesondere bei Ol/Luftkuhlung über große Fahrbereiche auftreten, werden vermieden Der Niedeπemperaturbereich des Wasserkühlers wird, wie an sich bekannt, dadurch reali- sieπ, daß in mindestens einem Wasserkasten mindestens eine Trennwand angeordnet ist, die einen Teil des den Wasserkühler durchströmenden Wassers zu einer u-formigen oder maan- deraπigen Durchstromung des Wasserkuhlers veranlaßt. Im Wasserkasten, innerhalb des Niedeπemperaturbereiches, ist ferner ein zusatzlicher Anschluß vorgesehen, der mit den Vorlaufkanalen zum Ol-Wasser- Wärmetauscher über eine Ventileinheit verbunden ist Die Ventileinheit ist in einem Gehäuse untergebracht, das stromungsmechanisch in Verbindung mit dem Ausgleichsbehälter bringbar ist und an dem zwei Vorlaufkanale für den Wärmetauscher angeformt sind, von denen einer in Verbindung mit dem Niedeπemperaturbereich des Wasserkühlers oder mit dem separaten Niedeπempeπur-Kühler schaltbar ist und der andere in Verbindung zum Ausgleichsbehalter ist. Vorzugsweise besteht das Gehäuse, wel- ches die Ventileinheit einschließt, aus einem oberen und einem unteren Aufnahmestutzen, die mittels Schnell-Steck-Anschluß zusammengefügt sind. Dabei ist der obere Aufnahmestutzen direkt im Bodenbereich des Ausgleichsbehaiters angeformt und der untere Aufhahrnestutzen bildet mit den Vorlaufkanalen des Wärmetauschers ein einziges Spritzgußteil aus Kunststoff. Außerdem sind der Rücklaufkanal des Wärmetauschers und der Rücklaufanschluß des Aus- gieichsbehälters sowie der zur Kühlmittelpumpe fuhrende Rücklaufstutzen ebenfalls als einheitliches Spritzgußbauteil konzipieπ. All diese Merkmale führen dazu, daß eine kompakte Bauweise erzielt wird, denn die genannten Bauteile sind in unmittelbarer Nähe, beispielsweise an der den Wasserkühler einschließenden Ventilatorhaube zu befestigen. Raumbedarf erfordernde Leitungen sind somit entbehrlich. Samtliche Medienanschlüsse sind als Schnell-Steck- Anschlüsse ausgeführt, die sich gunstig auf die Montage und Demontage auswirken
Die Ansprüche 13 bis 16 richten sich auf ein Verfahren zum Kühlen und Vorwarmen, mit dem die Effizienz der Kühlung und Vorwarmung zu verbessern ist Als besonders wirkungsvoll hat es sich herausgestellt, wenn der Schaltpunkt der Ventileinheit auf Kühlbetrieb gering- fugig, etwa 5°C, unterhalb des Schaltpunktes des Motor-Hauptthermostaten eingestellt wird
Insgesamt hat sich gezeigt, daß der dynamische Regelungsprozeß durch die Zu ischung kuhleren oder wärmeren Kuhlwassers über den gesamten Regelungsbereich in bester Weise beeinflußt wird
Wegen weiterer erf.ndungswesentlicher Merkmale wird auf die Patentansprüche verwiesen Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschre.bung von Aus¬ fuhrungsbeispielen Dazu wird auf die Fig Bezug genommen Es zeigen
Fig 1 schematisches Schaltbild der Kuhlphase eines Getriebeolkuhlers Fig. 2 schematisches Schaltbild der Heiz-oder Vorwarmphase Fig. 3 schematisches Schaltbild in einer Ubergangsphase
Fig 4 Wasserkuhler (schematisch) der in einem Wasserkasten eine Trennwand zur Bildung eines Niedertemperaturbereiches aufweist.
Fig 5 Ausgleichsbehalter mit Aufnahmestutzen mit eingesetztem Thermostatventii und Ka¬ nälen zum angedeuteten Getriebeolkuhler und zum Niedertemperaturbereich des Wasserkuh- lers
Fig 6 Gehäuse bildende Aufnahmestutzen als Einzelheit Fig. 7 schematisiertes Schaltbild mit einem separaten Niedertemperatur-Kuhler In den Fig 1 bis 3 ist der prinzipielle Kuhlwasserkreislauf abgebildet, wie er beispielswe.se zur Kühlung einer Brennkraftmaschine 17 in einem Fahrzeug anzutreffen ist. Bestandteile des Kreislaufes sind der Wasserkuhler 4, der Ausgleichsbehalter 2, der Motorthermostat 9 und die Kuhlmittelpumpe 8 Beim Start der kalten Brennkraftmaschine 17 wird der Hauptkuhl¬ mittelstrom 12 mittels dem Motorthermostat 9 auf kurzem Weg, unter Ausschaltung des Wasserkuhlers 4, direkt zur Brennkraftmaschine 17 zurückgeführt Im rechten Teil der Fig.2 und 3 ist das abgebildet Dabei erwärmt die Brennkraftmaschine 17 das Kühlwasser in kurzer Zeit. Die Wärmeenergie des Kuhlwassers kann beispielsweise zur Aulheizung des Passagier¬ raumes benutzt werden, worauf vorliegend nicht eingegangen werden soll Zusatzlich ist in dem Kreislauf ein einziger Ol/Wasser-Warmetauscher 5, beispielsweise ein Getriebeolkuhler, eingebunden, dessen Vorlaufstrom 1 mittels einer Ventileinheit 3 regelbar ist. Die Ventileinheit 3 besitzt einen Anschluß zum Niedeπemperaturbereich 14 des Wasser¬ kuhlers 4 und einen weiteren Anschluß zum Ausgleichsbehalter 2 In der Kuhlphase, wie in Fig. I abgebildet, beispielsweise bei einer Kühlwasseπemperatur von 110°C, hat der Motor¬ thermostat 9 den kurzen Weg bereits abgesperπ, so daß der Hauptkühlkreislauf 12 durch den Wasserkuhler 4 und zurück zur Kuhlmittelpumpe 8 verlauft Da auch die Ventileinheit 3 den Weg zum Ausgleichsbehalter 2 abgesperπ hat - bis auf einen geringen Dauerstrom - kommt
der Vorlaufstrom 1 des Wärmetauschers 5 im wesentlichen aus dem Niedeπemperaturbereich 14 des Wasserkühlers 4. Durch diesen Niedeπemperaturbereich 14 kann die Wassertemperatur beispielsweise um 10°C weiter abgekühlt werden, was für die Getriebeölkühiung von Vorteil ist. Die Fig. 4 zeigt in einer Abbildung, wie dieser Niedertemperaturbereich gebildet ist, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Die Fig. 2 zeigt die reine Vorwärmphase des Wärmetauschers 5, in der der Vorlaufstrom 1 aus dem Ausgleichsbehälter 2 entnommen wird, der von einem Teil des Hauptkühlmittelstromes 12 durchflössen wird. Die Ventileinheit 3 hat den im Bild linken Eingang geöffnet und den rechten, zum Niedertemperaturbereich !4 führenden Eingang, geschlossen. Ein Teil des durch die Brennkraftmaschine 17 schnell aufgewärmten Kühlwassers wird somit zur zügigen Aufwärmung des Getriebeöles bereitgestellt.
Beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 80 und 85°C, etwas vor der Aktionstemperatur des Motorthermostaten 9, die bei 90°C liegen könnte, hat sich ein Übergangsbereich eingestellt, wie er in Fig. 3 abgebildet ist. In diesem Temperaturbereich kommt der Vorlaufstrom 1 des Wärmetauschers 5 sowohl aus dem Ausgleichsbehälter 2 als aus dem Niedertemperaturbereich 14, was wiederum der Optimierung der Öltemperatur dienlich ist. Eine weitere nicht abgebildete Betriebssituation stellt sich bei weiter steigender Temperatur ein, wenn auch bereits der Motorthermostat 9 teilweise geöffnet ist, wobei der Niedeπemperaturbereich 14 dann nur noch von einer Teilmenge des den Wasserkühler 4 durchströmen- den Wassers durchflössen ist, wie es prinzipiell auch aus Fig. 1 erkennbar ist.
Der schematisieπe Wasserkühler 4 geht aus Fig. 4 hervor. Bei diesem Wasserkühler 4 ist ein Niedeπemperaturbereich 14 abgetrennt, indem im linken Wasserkasten 15 eine Trennwand 16 eingesetzt wurde, die das Wasser oder einen Teil des Wassers veranlaßt, den Wasserkühler 4 in entgegengesetzter Richtung noch einmal zu durchströmen und sich dabei um einen zusätzlichen Betrag abzukühlen. Der Hauptkühlmittelstrom 12 oder ein Teil desselben tritt oben links am Einlaufstutzen 22 in den Wasserkuhler 4 ein und verläßt diesen nach Durchströmen auf der rechten Seite am Auslaufstutzen 23 gemäß dem eingezeichneten Pfeil. Der den Niedertemperaturbereich 14 durchströmende Anteil bildet den Kühlmittelnebenstrom 13, der den Wasserkühler 4 unten links verläßt, um in den mit 10 bezeichneten Vorlaufkanal ein- zutreten, der zum Wärmetauscher 5 führt. Am Wasserkasten 15, innerhalb des Niedertemperaturbereiches 14, ist ein Anschlußstutzen 24 zum Anschluß an den Vorlaufkanal 10 in schematisierter Form dargestellt.
Der Vorlaufkanal 10 ist auch in den Fig. 5 und 6 eingezeichnet, die einen Ausgleichsbehälter 2 mit im Boden 21 befindlicher schematisierter Ventileinheit 3 zeigen. Die Ventileinheit 3
befindet sich in einem Einsatzgehäuse 19, das aus einem unteren 18 und einem oberen Aufnahmestutzen 20 besteht. Diese Stutzen sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt. Dabei bildet der untere Aufnahmestutzen 18 ein einziges Bauteil gemeinsam mit dem Vorlaufkanal 10, der vom Niedertemperaturbereich 14 kommt und dem Vorlaufkanal 1 1 , der vom Auf- nahmestutzen 18 zum Vorlaufanschluß des Wärmetauschers 5 führt. In gleicher Weise bildet der Rücklaufkanal 28 vom Wärmetauscher 5 mit dem Rücklaufanschluß 29 des Ausgleichsbehälters 2 und dem Rücklaufstutzen 30, der den Anschluß zum Rücklauf zur Kühlwasserpumpe 8 darstellt, ein einziges Spritzgußteil aus Kunststoff. Die in Fig. 5 eingezeichneten Pfeile deuten die Durchströmung des Ausgleichsbehälters 2 und der Kanäle 10; 1 1 ; 28;29 an. In der Heizphase tritt der mit dem oberen horizontalen Pfeil deutlich gemachte Teil des
Hauptkühlmittelstromes 12 in den Ausgleichsbehälter 2 ein. Mittels der Ventileinheit 3 wird ein Teil dessen abgezweigt und über den Vorlaufkanal 1 1 dem Getriebeölkühler 5 zugeführt. Über den Rücklaufkanal 28 verläßt das Wasser den Getriebeölkühler 5 und geht in den Kreislauf zurück. In der Kühlphase kommt das Kühlwasser aus dem Niedertemperaturbereich 14 über den Vorlaufkanal 10, in den Vorlaufkanal 11, in den Getriebeölkühler 5 und verläßt diesen wie beschrieben. Im Übergangsbereich wird der Vorlaufstrom 1 mittels der Ventileinheit 3 so gesteuert, daß ein Teil des Kühlwassers über den Kanal 10 aus dem Niedertemperaturbereich 14 und ein anderer Teil aus dem Ausgleichsbehälter 2 in den Vorlaufkanal 11 eingespeist wird. Die Fig. 6 zeigt die bereits beschriebenen wesentlichen Einzelheiten des die Ventileinheit 3 aufnehmenden Gehäuses 19, wobei die Ventileinheit 3 selbst, der besseren Übersichtlichkeit halber, nicht gezeichnet sondern lediglich durch die Bezugsziffer 3 angedeutet wurde. Die beiden Teiie des Gehäuses 19, der untere Aufnahmestutzen 18 und der obere Aufnahmestutzen 20, der Teil des Ausgleichsbehälters 2 ist, sind nach außen hin mittels geeigneter Dich- tung 32 abgedichtet. Die Verbindung erfolgt durch wandseitige Schlitze oder Nut 31, in der sich eine Federklammer befindet, die zeichnerisch nicht dargestellt wurde. Die Pfeile deuten die Strömung des Wassers an. Erkennbar ist aus dieser Darstellung ebenfalls die auf separate Leitungen verzichtende kompakte Gestaltung, bei der der untere Aufnahmestutzen 18 und die Vorlaufkanäle 10 und 11 als einheitliches Spritzgußteil ausgebildet sind. Da der obere Aufnahmestutzen 20, wie bereits beschrieben, direkt im Boden 21 des Ausgleichsbehälters 2 angeformt ist, ist die Zahl der Einzelteile äußerst gering, was zur Montagefreundlichkeit beiträgt.
In der Variante nach Fig.7, bei der der Niedertemperaturbereich 14 entfallen ist und durch den separaten Niedertemperatur-Kühler 14a ersetzt wurde, stellt sich der Vorteil ein, daß
größere Temperaturdifferenzen für die Olkühlung erzielt werden können. Ebenso kann diese Variante vorteilhaft sein, wenn aus Platzgründen der Wasserkuhler 4 mit dem Niedeπemperaturbereich 14 nicht untergebracht werden kann Dafür kann ein kleinerer Wasserkuhler 4a vorgesehen werden, wobei die Anordnung des separaten Niedeπemperatur-Kühlers 14a dort erfolgen kann, wo es die Platzverhaltnisse, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, gestatten Die Fig 7 stellt, wie auch die bereits erlauteπe Fig 1. die reine Kühlphase dar, bei der der Hauptkühlmittelstrom 12 durch den Wasserkuhler 4a geleitet wird. Die etwas kraftiger gezeichneten Pfeile zeigen den in dieser Phase vorherrschenden Stromungsweg des Kühlwassers Der Niedertemperatur-Kühler 14a ist dem Wasserkühler 4a nachgeschaltet und liegt zu diesem parallel. Das in diesen Kühler 14a einströmende Wasser gelangt zur Ventileinheit 3 und von dort in den Getriebeolkuhler 5, wo auf Grund der großen Temperaturdifferenz eine effiziente Olkühlung möglich ist.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Vorlaufstrom von 5
2 Ausgleichsbehalter
Thermostatregelventileinheit
4 Wasserkuhler
4a Wasserkuhler
5 Wärmetauscher (Ol-Wasser-Kuhler)
6 Rucklaufstrom von 5
7 Kühlmittelleitung
8 Kuhlmittelpumpe
9 Motor-Haupthermostat
10 Vorlaufkanal von 4 (14) nach 5
1 1 Vorlaufkanal von 2 nach 5
12 Hauptkuhlkreislauf
13 Kuhlmittelnebenstrom
14 Niedertemperaturbereich von 4
14a Niedertemperatur-Kuhler
15 Wasserkasten von 4
16 Trennwand in 15
17 B rennkraftmaschine
18 Aufnahmestutzen, unten
19 Einsatzgehause für 3
20 Aufnahmestutzen, oben am Ausgleichsbehalter 2
21 Boden des Ausgleichsbehaiters 2
22 Einlaufstutzen an 4
23 Auslaufstutzen an 4
24 Anschlußstutzen an 14
25 Flachrohre
26 Lamellen
27 Trennlinie für Niedertemperaturbereich 14
28 Rucklaufkanal von 5
29 Rucklaufanschluß an 2
Rücklaufstutzen Nut für Federklammer Dichtung