DE102008035955A1

DE102008035955A1 - Kühlstrategie

Info

Publication number: DE102008035955A1
Application number: DE200810035955
Authority: DE
Inventors: Michael Tobergte; Dirk Borrmann; Peter Dr. Dilgen; Jan Mehring; Bert Pingen; Klaus Moritz Springer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-01
Also published as: CN201486636U; DE102008035955B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (22) für Verbrennungsmotoren (1) mit einem flüssigkeitsgekühlten Motorblock mit Zylinderkopf, wobei eine von einem Kühlmittelauslass (2) des Motorblocks ausgehende erste Verbindungsleitung (3) über zumindest einen Wärmetauscher (4) und eine Kühlmittelpumpe (5) zu einem Kühlmittelauslass (6) des Motorblocks zurückführt. Ein Bypass (11) ist so zwischen Kühlmittelauslass (2) und Kühlmitteleinlass (6) angeordnet, dass der Verbrennungsmotor (1) von der Kühlmittelströmung zumindest zeitweise umströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für Verbrennungsmotoren mit einem flüssigkeitsgekühlten Motorblock mit Zylinderkopf, wobei eine von einem Kühlmittelauslaß des Motorblocks ausgehende erste Verbindungsleitung über zumindest einen Wärmetauscher und eine Kühlmittelpumpe zu einem Kühlmitteleinlaß des Motorblocks zurückführt und wobei eine zweite Verbindungsleitung von der Kühlmittelpumpe über einen Fahrzeugkühler in der ersten Verbindungsleitung mündet.
Bei einer so genannten „no flow” Strategie wird der Verbrennungsmotor bzw. sein Motorblockwassermantel nicht von der Kühlflüssigkeit durchströmt, damit der Motorblock insbesondere nach einem Kaltstart, also in der Warmlaufphase schneller aufgewärmt wird. Erreicht der Verbrennungsmotor die gewünschte Betriebstemperatur wird dieser mit der Kühlflüssigkeit durchströmt. Dann kann die Kühlflüssigkeit ihre in dem Verbrennungsmotor aufgenommene Wärme an Wärmetauscher, wie zum Beispiel einen Ölwärmetauscher (Wärmetauscher in der ersten Verbindungsleitung) übertragen.
Fordert der Fahrgast aber nun die Beheizung der Fahrgastkabine über eine Kabinenheizung (Wärmetauscher in der ersten Verbindungsleitung) während des Kaltstarts an, so wird gleichzeitig die „no flow” Strategie aufgegeben, so dass der Motorblock mit Kühlflüssigkeit durchströmt wird, auch wenn die gewünschte Betriebtemperatur noch nicht erreicht ist. Denn nur so ist es möglich die Kabinenheizung mit Kühlflüssigkeit durchströmen zu lassen, so dass die darin gespeicherte Wärme übertragen werden kann.
Zum schnelleren Aufwärmen der Kühlflüssigkeit kann aber auch vorgesehen sein, eine zusätzliche Wärmequelle in der ersten Verbindungsleitung anzuordnen. Dann müßte allerdings auf die Vorteile der no flow Strategie verzichtet werden, da der Motorblockwassermantel auch direkt nach dem Kaltstart von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird, um die zusätzliche Wärmequelle durchströmen zu können, so dass aufgewärmtes Kühlmittel zumindest den Ölwärmetauscher versorgen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Kühlsystem der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, dass die „no flow” Strategie aufrechterhalten werden kann, wenn gleichzeitig zum Nichtdurchströmen des Motorblocks Wärmetauscher durchströmt werden sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei ein Bypaß so zwischen dem Kühlmittelauslaß und dem Kühlmitteleinlaß angeordnet ist, dass der Verbrennungsmotor von der Kühlmittelströmung zumindest zeitweise umströmt wird, wobei Kühlmittel vorzugsweise von einer in dem Kühlsystem angeordneten zusätzlichen Wärmequelle aufgewärmt wird. In bevorzugter Ausgestaltung ist die zusätzliche Wärmequelle in dem Bypaß zwischen Kühlmittelauslaß und Kühlmitteleinlaß angeordnet. Damit werden thermische Verluste und Reibungsverluste im Motorblock sowie auch der Brennstoffverbrauch reduziert und die Aufheizung des Motoröls nach dem Start des Verbrennungsmotors verbessert sowie eine schnellere Beheizung der Fahrgastkabine ermöglicht. Denn durch die Umgehung des Verbrennungsmotors mittels des Bypaß, kann die no flow Strategie aufrechterhalten werden, während Wärmetauscher mit aufgewärmter Kühlflüssigkeit durchströmt werden können, wobei die Kühlflüssigkeit mittels der zusätzlichen Wärmequelle aufgewärmt wird. Hierbei kann die zusätzliche Wärmequelle auch außerhalb des Bypaß in der ersten Verbindungsleitung angeordnet sein. Damit kann der beispielhafte Ölwärmetauscher Motoröl auch schon während der Warmlaufphase aufwärmen, wodurch die Reibungsverluste verringert werden. Gleichzeitig kann eine Kabinenheizung durchströmt werden, so dass die Fahrgastkabine aufgewärmt werden kann, wenn der Fahrgast dies anfordert.
Zweckmäßiger weise ist in Flußrichtung des Kühlmittels gesehen hinter einem Kühlmittelpumpenauslaß und dem Kühlmitteleinlaß ein Einlaßventil angeordnet, welches eine Kühlmittelströmung des Kühlmittels in Richtung zum Verbrennungsmotor bzw. in diesen hinein unterbinden kann. Günstiger Weise ist der Bypaß mit seinem Einlaßpfad zwischen dem Kühlmittelpumpenauslaß und dem Einlaßventil angeordnet, so dass das mittels der Kühlmittelpumpe geförderte Kühlmittel in den Bypaß strömen kann. Mit seinem Auslaßpfad mündet der Bypaß an der Auslaßseite des Verbrennungsmotors in der ersten Verbindungsleitung. Natürlich kann das Einlaßventil auch zwischen dem Kühlmittelauslaß und der Mündung des Auslaßpfades des Bypaß angeordnet sein.
Bevorzugter Weise weist der Bypaß einen Temperatursensor und ein Bypaßventil auf. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Bypaßventil in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen vor der zusätzlichen Wärmequelle und der Temperatursensor hinter der zusätzlichen Wärmequelle angeordnet. Mit dem Temperatursensor kann zum Beispiel das Bypaßventil gesteuert werden. Wenn die zusätzliche Wärmequelle in der ersten Verbindungsleitung angeordnet ist, kann der Temperatursensor natürlich stromabwärts der zusätzlichen Wärmequelle in der Verbindungsleitung oder in dem Bypaß stromabwärts des Bypaßventils angeordnet sein.
Die zusätzliche Wärmequelle kann elektrisch oder abgasbeheizt sein. Die zusätzliche Wärmequelle kann aber auch einen Wärmespeicher aufweisen, oder als Wärmespeicher ausgeführt sein.
Vorteilhaft ist vorgesehen einen Temperatursensor so anzuordnen, dass dieser die Strukturtemperatur des Motorblocks und/oder die Temperatur der Kühlflüssigkeit aufnimmt. Dieser Temperatursensor kann entweder in der ersten Verbindungsleitung stromabwärts des Verbrennungsmotors oder in dem Verbrennungsmotor selbst angeordnet sein. Detektiert der Temperatursensor eine gewünschte Temperatur, so steuert dieser das Einlaßventil so, dass der Motorblock von Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Mit anderen Worten ist die Warmlaufphase beendet, so dass die no flow Strategie aufgegeben werden kann. Gleichzeitig bleibt aber das Bypaßventil zunächst noch geöffnet.
Das Bypaßventil wird erst geschlossen, wenn ein Thermostat die zweite Verbindungsleitung (zum Fahrzeugkühler) öffnet. Dies ist besonders vorteilhaft in Regionen oder Jahreszeiten mit geringen Außentemperaturen, bei welchen das Thermostat zum Fahrzeugkühler nicht unbedingt öffnet, da die Temperatur des Kühlmittels die Aktivierungstemperatur des Thermostaten nicht erreicht. Mittels der zusätzlichen Wärmequelle, welche in der bevorzugten Ausgestaltung in dem Bypaß angeordnet ist, kann deren zusätzliche Wärmeenergie vorteilhaft zum Aufwärmen des Kühlmittels weitergenutzt werden, obwohl die no flow Strategie aufgegeben ist.
Insgesamt wird mit der Erfindung erreicht, die no flow Strategie (Nichtdurchströmen des Motorblocks während der Kaltstartphase) unter gleichzeitiger Versorgung von Wärmetauschern mit aufgewärmtem Kühlmittel aufrechtzuerhalten. Selbstverständlich wird die no flow Strategie bevorzugt nur bei einem Kaltstart durchgeführt. Allerdings sind so vorteilhaft thermische Verluste und Reibungsverluste im Motorblock sowie auch der Brennstoffverbrauch insbesondere bei einem Kaltstart reduziert, wobei die Aufheizung des Motoröls nach dem Start des Verbrennungsmotors verbessert sowie eine schnellere Beheizung der Fahrgastkabine trotz des zweckmäßigen Aufrechterhaltens der no flow Strategie ermöglicht ist.
Bei einer Ausgestaltung der zusätzlichen Wärmequelle als Wärmespeicher, könnte das dort gespeicherte Kühlmittel bei einem Start des Verbrennungsmotors auch zunächst in den Motorblock geleitet werden. Damit wäre der Motorblock quasi direkt mit warmer Kühlmittel versorgt, so dass dies zu einem schnelleren Aufwärmen dient. Anschließend, also nach dem einmaligen „fluten” würde zur no flow Strategie zurückgekehrt und wie bereits beschrieben vorgegangen.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
1 schematisch ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor.
1 zeigt ein beispielhaftes Kühlsystem 22 eines Verbrennungsmotor 1, von dessen Kühlmittelauslaß 2 eine erste Verbindungsleitung 3 ausgeht, die über zumindest einen Wärmetauscher, wie zum Beispiel einen Ölwärmetauscher 4 und eine Kühlmittelpumpe 5 zum Kühlmitteleinlaß 6 des Verbrennungsmotors 1 zurückführt.
Von der ersten Verbindungsleitung 3 zweigt beispielhaft eine mit einem Ventil 7 absperrbare Bypaßleitung 8 für einen weiteren Wärmetauscher, wie zum Beispiel eine Heizung 9 einer Fahrgastkabine ab. Beide Wärmetauscher 4 und 9 können natürlich auch in Reihe angeordnet sein. Zwischen der Kühlmittelpumpe 5 und dem Kühlmitteleinlaß 6 befindet sich ein Einlaßventil 10.
Weiter zweigt ein Bypaß 11 zwischen der Kühlmittelpumpe 5 und dem Kühlmitteleinlaß 6, bevorzugt stromaufwärts des Einlaßventils 10 ab. Der Bypaß 11 mündet stromabwärts des Verbrennungsmotors 1 in der ersten Verbindungsleitung 3, und weist eine zusätzliche Wärmequelle 12 auf, die bei der dargestellten Ausführung unmittelbar neben dem Verbrennungsmotor 1 angeordnet ist. Der Bypaß 11 weist einen Temperatursensor 13 und ein Bypaßventil 14 auf. Die zusätzliche Wärmequelle 12 kann auch in der ersten Verbindungsleitung 3 angeordnet sein. Weiter kann das Einlaßventil 10 auch zwischen dem Kühlmittelauslaß 2 und der Mündung des Bypaß 11 in der ersten Verbindungsleitung 3 angeordnet sein.
Nach dem Start des Verbrennungsmotors 1 wird das Kühlmittel bei geöffnetem Bypaßventil 14 und geschlossenem Einlaßventil 10 von der Kühlmittelpumpe 5 direkt über die zusätzliche Wärmequelle 12 in die erste Verbindungsleitung 3 zum Ölwärmetauscher 4 und gegebenenfalls zur Heizung 9 der Fahrgastkabine gefördert.
Insofern werden die genannten Wärmetauscher 4 bzw. 9 mit Kühlmittel durchströmt, obwohl der Verbrennungsmotor 1, bevorzugt nach einem Kaltstart nicht durchströmt (no flow Strategie) wird. Das Kühlmittel wird, während der Verbrennungsmotor 1 nicht durchströmt wird, in der oder durch die zusätzliche Wärmequelle 12 aufgewärmt.
In dem Verbrennungsmotor 1 kann ein Temperatursensor 17 zur Aufnahme der Strukturtemperatur und/oder der Kühlmitteltemperatur angeordnet sein. Der Verbrennungsmotor 1 wird zwar nicht durchströmt, gleichwohl befindet sich Kühlmittel in dessen Kühlmittelmantel bzw. Wassermantel. Detektiert der Temperatursensor 17 eine gewünschte Temperatur, bewirkt dieser gleichzeitig ein öffnen des Einlaßventils 10. Das Bypaßventil 14 bleibt dabei zunächst noch geöffnet. Der Temperatursensor 17 kann natürlich auch in der ersten Verbindungsleitung 3 an der Auslaßseite des Verbrennungsmotors 1 angeordnet sein (was in 1 gestrichelt angedeutet ist), wobei der Bypaß 11 in bevorzugter Ausgestaltung dann stromabwärts des Temperatursensors 17 in der ersten Verbindungsleitung 3 mündet.
Im Eingang zur Kühlmittelpumpe 5 ist ein Thermostat 18 angeordnet, das bei einer vorgegeben Temperatur einen Teilstrom des Kühlmittels über die zweite Verbindungsleitung 16 an dem Fahrzeugkühler 15 vorbei in die erste Verbindungsleitung 3 umlenkt.
Erst mit öffnen des Thermostats 18 schließt auch das Bypaßventil 14. Dies ist besonders vorteilhaft in Regionen oder Jahreszeiten mit geringen Außentemperaturen, bei welchen das Thermostat 18 zum Fahrzeugkühler 15 nicht unbedingt öffnet, da die Temperatur des Kühlmittels die Aktivierungstemperatur des Thermostaten 18 nicht erreicht. Dadurch bleibt aber der Bypaß 11 geöffnet. Mittels der zusätzlichen Wärmequelle 12, welche in der bevorzugten Ausgestaltung in dem Bypaß 11 angeordnet ist, kann deren zusätzliche Wärmeenergie vorteilhaft zum Aufwärmen des Kühlmittels weitergenutzt werden, obwohl die no flow Strategie aufgegeben ist, so dass das Kühlmittel auf die erforderliche Temperatur führbar ist, welche aufgrund der geringen Außentemperatur nicht erreichbar wäre. öffnet aber das Thermostat 18, wird der Bypaß 11 geschlossen, da ansonsten die über die zusätzliche Wärmequelle 12 zugeführte Wärme über den zweiten Kreislauf 16 (Fahrzeugkühler 15) wieder abgeführt würde.
Zudem ist noch vorteilhaft eine dritte Verbindungsleitung 19 zu einer Entlüftungseinrichtung 20 vorgesehen, wobei in der dritten Verbindungsleitung 19 ein Ventil 21 angeordnet ist. Die dritte Verbindungsleitung 19, welche wie die Bypaßleitung 8 ebenfalls als Bypaßleitung bezeichnet werden kann und absperrbar ist, mündet in der ersten Verbindungsleitung 3.
Aufgrund der bevorzugten Anordnung der zusätzlichen Wärmequelle 12 in dem Bypaß 11 kann zum Beispiel Motoröl schneller aufgeheizt werden, wodurch auch Reibungsverluste sowie auch thermische Verluste im Verbrennungsmotor 1 reduziert werden, wobei insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 1 eine no flow Strategie durchgeführt werden kann.
Hierbei kann aufgewärmtes Motoröl in den Verbrennungsmotor 1 geleitet werden, so dass Reibungsverluste insbesondere bei einem Kaltstart, während der Verbrennungsmotor nicht mit Kühlmittel durchströmt wird, reduziert sind. Gleichzeitig kann die Kabinenheizung betrieben werden, ohne dass der Verbrennungsmotor 1 von Kühlmittel durchströmt wird.
Grundsätzlich ist mit dem beispielhaft dargestellten Kühlsystem 22 möglich, das Einlaßventil 10 und das Bypaßventil 14 vor oder während des Starts des Verbrennungsmotors 1 zu öffnen, um den Verbrennungsmotor 1 bzw. dessen Blockwassermantel mit aufgewärmten Kühlmittel aus der zusätzlichen Wärmequelle 12 zu füllen. Dies verbessert die Warmlaufeigenschaften, da das Kühlmittel bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 bereits aufgewärmt ist. Detektieren die Sensoren 13 und 17 eine ungefähr gleiche Temperatur, wird das Einlaßventil 10 geschlossen, und die no flow Strategie durchgeführt. Das Einlaßventil 10 öffnet dann, wenn Sensor 17 eine kritische Bauteiltemperatur oder eine korrespondierende Kühlmitteltemperatur detektiert. Das Bypaßventil öffnet, bzw. bleibt solange geöffnet, wenn Wärmeenergie in das Kühlsystem 22 (Heizung 9, Ölwärmetauscher 4) geleitet werden soll. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn der Sensor 13 eine größere Temperatur als die Aktivierungstemperatur des Thermostaten 18 detektiert und/oder wenn die mittels des Sensors 13 gemessene Temperatur größer ist als die Eingangstemperatur der zusätzlichen Wärmequelle 12.
Das Bypaßventil 1 kann abweichend zu oben genannten Bedingungen (Thermostat 18 öffnet) auch schließen, wenn hohe Lasten/Drehzahlen des Verbrennungsmotors 1 angefordert werden, also der Verbrennungsmotor 1 in kritischen Betriebpunkten betrieben wird. Hier sollte ein hoher Volumenstrom des Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor 1 geleitet werden, um den Verbrennungsmotor 1 entsprechend kühlen zu können und thermische Schäden zu vermeiden.
Das Ventil 21 sollte erst geöffnet werden, wenn die Betriebtemperatur des Verbrennungsmotors 1 erreicht ist, um die thermische Masse des Kühlsystems 22 zu reduzieren. Genauso sollte Ventil 7 erst öffnen wenn der Fahrgast die Kabinenheizung 9 anfordert.
Selbstverständlich sollten, sofern dies möglich ist, bei einem Befüllen des Kühlsystems 22 alle Ventile geöffnet sein.
Anstatt die genannten Temperaturen zu messen, können auch entsprechende Temperaturmodelle in der Ventil- bzw. Motorsteuerung hinterlegt sein.

Claims

Kühlsystem für Verbrennungsmotoren (1) mit einem flüssigkeitsgekühlten Motorblock mit Zylinderkopf, wobei eine von einem Kühlmittelauslaß (2) des Motorblocks ausgehende erste Verbindungsleitung (3) über zumindest einen Wärmetauscher (4) und eine Kühlmittelpumpe (5) zu einem Kühlmitteleinlaß (6) des Motorblocks zurückführt, gekennzeichnet durch einen so zwischen Kühlmittelauslaß (2) und Kühlmitteleinlaß (6) angeordneten Bypaß (11), dass der Verbrennungsmotor (1) von der Kühlmittelströmung zumindest zeitweise umströmt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Wärmequelle (12) in dem Bypaß (11) angeordnet ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Flußrichtung der Kühlmittels gesehen hinter einem Kühlmittelpumpenauslaß und dem Kühlmitteleinlaß (6) ein Einlaßventil (10) angeordnet.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypaß (11) einen Temperatursensor (13) und ein Bypaßventil (14) aufweist
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Kühlsystem (22) angeordnete zusätzliche Wärmequelle (12) elektrisch beheizt ist, oder dass die zusätzliche Wärmequelle (12) abgasbeheizt ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Kühlsystem (22) angeordnete zusätzliche Wärmequelle (12) einen Wärmespeicher aufweist, oder als Wärmespeicher ausgeführt ist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (17) der so angeordnet ist, dass eine Strukturtemperatur der Verbrennungsmotors (1) und/oder eine Kühlmitteltemperatur aufnehmbar sind.
Kühlstrategie für einen Verbrennungsmotor (1) mit einem Kühlsystem (22), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbrennungsmotor (1) einen flüssigkeitsgekühlten Motorblock mit Zylinderkopf aufweist, wobei eine von einem Kühlmittelauslaß (2) des Motorblocks ausgehende erste Verbindungsleitung (3) über zumindest einen Wärmetauscher (4) und eine Kühlmittelpumpe (5) zu einem Kühlmitteleinlaß (6) des Motorblocks zurückführt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (22) einen Bypaß (11) aufweist, der so zwischen Kühlmittelauslaß (2) und Kühlmitteleinlaß (6) angeordnet ist, dass der Verbrennungsmotor (1) zumindest bei einem Kaltstart mittels eines geschlossenen Einlaßventils (10) von dem Kühlsystem (22) getrennt ist und Kühlmittel durch den Bypaß (11) strömend von einer in dem Kühlsystem angeordneten zusätzlichen Wärmequelle (12) aufgewärmt wird, und dass der Bypaß (11) mittels eines Bypaßventils (14) erst geschlossen wird, wenn ein Thermostat (18) eine zweite Verbindungsleitung (16) zu einem Fahrzeugkühler (15) öffnet.