DE19621674C2 - Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem den Kühlmittelstrom durch einen Kühler steuernden Thermostaten, dessen Regeltemperatur veränderbar ist, sowie mit einem wahlweise durch­ strömbaren Wärmespeicher. Zum bekannten Stand der Technik wird bei­ spielshalber auf die EP 0340621 A2 sowie auf die DE 44 09 547 A1 verwie­ sen.

Darüber hinaus sind aus der FR 27 13 279, der DE 44 09 547 A1, der DE 42 35 830 A1, dem deutschen Gebrauchsmuster 74 35 061, der DE 43 11 524 A1 sowie einer Veröffentlichung aus der "MTZ", Nr. 6, Juni 1994, Seiten 334 bis 340, weitere Ausgestaltungsvarianten sowie Betriebsmodi für Kühlmittelkreisläufe von Brennkraftmaschinen in Verbindung mit durchströmbaren Wärmespeichern dargestellt.

Aus der erstgenannten Schrift ist ein Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftma­ schine bekannt, in den wahlweise ein Wärmespeicher einbindbar ist. Da wie üblich der Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine auch zur Beheizung eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges herangezogen wird, kann die im Wärmespeicher, insbesondere Latent-Wärmespeicher ge­ speicherte Wärmemenge bevorzugt zu einer schnelleren Beheizung des Fahrzeuges anschließend an einen Kaltstart der Brennkraftmaschine ver­ wendet werden. Vorteilhafterweise kann hiermit auch das Kühlmittel der Brennkraftmaschine insgesamt schneller angewärmt werden, so daß die Brennkraftmaschine schneller ihre Betriebstemperatur erreicht und somit die Warmlaufphase mit ihren erhöhten Emissionswerten wesentlich verkürzt werden kann.

Aus der ebenfalls bereits genannten DE 44 09 547 A1 ist ferner ein Kühlmit­ telkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem elektrisch beheizbaren Thermostatventil bekannt, wobei die Regeltemperatur des Thermostatventi­ les durch eine elektrische Beheizung veränderbar ist. Ein derartiges Ther­ mostatventil mit veränderbarer Regeltemperatur ermöglicht somit eine soge­ nannte Kennfeldkühlung, bei welcher zur Verminderung der Reibleistungs­ verluste in der Teillast der Brennkraftmaschine eine hohe Kühlmitteltempera­ tur und somit eine hohe Motoröltemperatur eingestellt wird, während in der Vollast der Brennkraftmaschine, in vollastnahen Bereichen oder beim Be­ schleunigen des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges eine niedrigere Kühlmitteltemperatur angestrebt wird, um auf Grund der dann günstigeren Klopfgrenze günstigere Zündwinkel fahren zu können.

Bislang existiert keine Brennkraftmaschine, bei der diese beiden Systeme, nämlich ein wahlweise durchströmbarer Wärmespeicher einerseits und ein Thermostatventil mit veränderbarer Regeltemperatur andererseits zur An­ wendung kommen. Folglich existiert auch keine optimale Regelstrategie hierfür.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Kühlmittelkreislauf mit diesen beiden Systemen Maßnahmen aufzuzeigen, die eine optimale Ausnutzung der jeweiligen systemimmanenten Vorteile ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur des Thermostatventiles niedrigeren Temperatur des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher nur dann durchströmt wird, wenn die Kühlmitteltemperatur unterhalb derjenigen des Wärmespeichers liegt, und daß im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur höheren Tem­ peratur des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher solange durch­ strömt wird, als dessen Temperatur nicht oberhalb derjenigen des Kühlmit­ tels liegt. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Unteranspruch angegeben. Dabei kann bevorzugt die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels nahe der Brennkraftmaschine ermittelt werden, während die Temperatur des Wärmespeichers durch die Kühlmittel-Temperatur im Bereich des Austritts aus dem Wärmespeicher repräsentiert sein kann.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf den in Fig. 1 prinzipiell dar­ gestellten Kühlmittelkreislauf verwiesen, wozu in Fig. 2 verschiedene Pha­ sen der sogenannten Kennfeldkühlung, d. h. verschiedene Regeltemperatu­ ren des Thermostatventiles über der Zeit dargestellt sind, und wobei Fig. 3 die zu realisierende Schaltlogik für einen erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislauf zeigt.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 in seiner Gesamtheit ein Kühlmittelkreis­ lauf einer Brennkraftmaschine 2 bezeichnet, der neben einem durch einen Kühler 3 geführten Zweig auch einen über Heizungswärmetauscher 4 und 5 sowie einen Wärmespeicher 6 führbaren Zweig aufweist. Eine an der Brenn­ kraftmaschine 2 angeordnete Pumpe P1 dient wie üblich der hauptsächli­ chen Umwälzung des Kühlmittels, während stromauf des Heizungs-Wärme­ tauschers 4, 5 eine Hilfspumpe P2 vorgesehen ist.

Ein Thermostatventil 7 steuert wie üblich die Menge des durch den Kühler 3 strömenden Kühlmittelstromes. Dabei ist die Regeltemperatur dieses Ther­ mostatventiles veränderbar, so daß sich bei unterschiedlicher Einstellung der Regeltemperatur dieses Thermostatventiles 7 durch eine dementsprechende Rückkühlung des Kühlmittels im Kühler 3 die jeweils gewünschte Kühlmittel­ temperatur im Bereich der Brennkraftmaschine 2 ergibt.

Im den Heizungswärmetauschern 4, 5 sowie dem Wärmespeicher 6 zuge­ ordneten Zweig des Kühlmittelkreislaufes 1 sind ferner drei Schaltventile V1, V2, V3 sowie zwei Regelventile V4, V5 vorgesehen. Diesbezüglich ist der Aufbau des Kühlmittelkreislaufes im wesentlichen gleich dem aus der ein­ gangs bereits zitierten EP 0340621 A2 bekannten Stand der Technik. Auch die Funktion der Pumpe P2 ist in dieser genannten Schrift genau erläutert. Die erfindungsgemäße Schaltstrategie für die Ventile V1 bis V5 wird hier an späterer Stelle erläutert.

Zunächst sei kurz auf Fig. 2 verwiesen, welche einzelne Phasen einer so­ genannten Kennfeldkühlung zeigt. In diesem Diagramm ist über der Zeit (= Abszisse) die gewünschte Kühlmitteltemperatur (= Ordinate) dargestellt. Zu­ nächst befindet sich die Brennkraftmaschine in der sogenannten Warmlauf­ phase I, bis eine Kühlmitteltemperatur von beispielsweise 110°C erreicht ist. Dies stellt dann die sogenannte Warmphase II dar, in welcher - wie unterhalb der Abszisse angegeben - die Brennkraftmaschine beispielsweise mit Teil­ last betrieben werde. Wird später die Brennkraftmaschine mit Vollast oder in einem (vollastnahen) Bereich, bei dem eine niedrigere Kühlmitteltemperatur erwünscht ist, betrieben, so soll die Kühlmitteltemperatur in der Brennkraft­ maschine auf beispielsweise 85°C abgesenkt werden. Im Rahmen dessen schließt sich daher an die Warmphase II zunächst eine sogenannte Abkühl­ phase III und dann eine sogenannte Kühlphase IV an. Wird zu einem späte­ ren Zeitpunkt wieder von Vollast-Betrieb auf Teillast-Betrieb übergegangen, so soll die Kühlmitteltemperatur wieder auf beispielsweise 110°C angeho­ ben werden. Daher folgt auf die Kühlphase IV eine sogenannte Erwärmungsphase V, an die sich mit Erreichen dieser beispielsweise 110°C wie­ der die Warmphase II anschließt.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß diese angegebenen Werte der Kühlmitteltemperatur jeweils im Bereich oder nahe der Brenn­ kraftmaschine 2 gelten, d. h. diese sogenannte Kühlmitteltemperatur kann beispielsweise beim Eintritt in die Brennkraftmaschine oder beim Austritt aus derselben ermittelt werden.

Zurückkommend auf Fig. 1 sei noch erläutert, daß die Regelventile V4, V5 dazu dienen, den Durchfluß des Kühlmittels durch die Heizungs-Wärmetau­ scher 4, 5 zu steuern und somit die Heizleistung zu bestimmen. Das Schalt­ ventil V1 entscheidet darüber, ob dieser entsprechende Zweig des Kühlmit­ telkreislaufes 1 überhaupt mit der Brennkraftmaschine 2 verbunden ist, und die Schaltventile V2, V3 entscheiden darüber, ob bzw. wie der Wärmespei­ cher 6 vom im Kreislauf 1 umgewälzten Kühlmittel durchströmt wird. Tat­ sächlich soll der Wärmespeicher 6 bei betriebener Brennkraftmaschine 2 nämlich nicht ständig durchströmt werden, sondern nur dann, wenn dies auch sinnvoll ist.

Ist die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels, d. h. die Kühlmitteltempera­ tur niedriger als die Regeltemperatur des Thermostatventiles 7, so soll der Wärmespeicher 6 nur dann durchströmt werden, wenn die Kühlmitteltempe­ ratur unterhalb derjenigen des Wärmespeichers liegt. Dies gilt somit gemäß Fig. 2 für die Warmlaufphase I sowie für die Erwärmungsphase V. Während dieser beiden Phasen ist die aktuelle Kühlmitteltemperatur niedriger als die vom Thermostatventil 7 vorgegebene Regeltemperatur von beispielsweise 110°C. Während dieser beiden Phasen soll somit das Kühlmittel erwärmt werden, wobei grundsätzlich eine zusätzliche Wärmemenge aus dem Wärmespeicher 6 entnommen werden kann. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn die Temperatur des Wärmespeichers 6 über derjenigen des Kühlmit­ tels liegt. Um sicherzustellen, daß nur dann Kühlmittel durch den Wärme­ speicher 6 hindurchgeführt wird, ist dann das Schaltventil V3 offen zu halten, während das Schaltventil V2 geschlossen sein kann. Selbstverständlich muß auch das Schaltventil V1 geöffnet sein, während die Regelventile V4, V5 in Abhängigkeit von einer Heizungsanforderung geöffnet oder geschlossen sein können. Diese soeben erläuterte Schaltstrategie ist auch in Fig. 3 dargestellt. Für die Warmlaufphase I sowie für die Erwärmungsphase V ist hierin angegeben, daß zunächst abgefragt wird, ob die Kühlmitteltemperatur TMOT kleiner als die Temperatur des Wärmespeichers TLWS ist. Wird diese Frage mit "JA" beantwortet, so kann wie angegeben eine Entladung des Wärmespeichers 6 erfolgen, so daß die Ventile V1 bis V5 den in Fig. 3 rechts angegebenen Zustand aufweisen können.

Ist hingegen die Kühlmitteltemperatur TMOT größer als die Temperatur des Wär­ mespeichers TLWS, so soll während der Warmlaufphase I sowie während der Er­ wärmungsphase V der Wärmespeicher 6 nicht durchströmt werden, da ansonsten eine gewünschte schnelle Erwärmung des Kühlmittels behindert wird. Tatsächlich würde nämlich bei Durchströmung des Wärmespeichers 6 ein Teil der Wärme­ menge des Kühlmittels wieder an den Wärmespeicher 6 abgegeben und eine ge­ wünschte schnelle Erwärmung des Kühlmittels somit hinausgezögert. In diesem Falle ist somit der Wärmespeicher 6 zu sperren, wozu die Ventile V1 bis V5 in den in Fig. 3 unten angegebenen Zustand zu bringen sind. Insbesondere sind die Schaltventile V2 und V3 hier zu schließen. Wie Fig. 3 zeigt, wird somit bei der Ab­ frage in den Phasen I und V, ob die Kühlmitteltemperatur TMOT kleiner als die Wärmespeichertemperatur TLWS ist, verneinendenfalls, d. h. den Pfeil "NEIN" fol­ gend ein Kühlmittelstrom durch den Wärmespeicher 6 verhindert. In anderen Wor­ ten bedeutet dies, dass im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur des Ther­ mostatventils 7 niedrigeren Temperatur TMOT des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher 6 nur dann durchströmt wird, wenn die Kühlmitteltemperatur TMOT unterhalb der Temperatur TLWS des Wärmespeichers liegt.

Im folgenden wird die sogenannte Warmphase II beschrieben. Hier beträgt die Kühlmitteltemperatur TMOT beispielsweise 110°C. Dies ist gleichzeitig die maximal erreichbare Temperatur im Kühlmittelkreislauf, die das Thermo­ statventil 7 durch entsprechende Dosierung des den Kühler 3 durchströmen­ den Kühlmittelstromes einzustellen vermag. Da somit auch der Wärmespei­ cher 6 keine höhere Temperatur erlangen kann, kann in dieser Warmphase II stets der Wärmespeicher 6 durchströmt und somit beladen werden. Dies ist abermals Fig. 3 entnehmbar, wonach bei Bejahung der Abfrage TMOT = 110°C die Ventile V1 bis V5 den rechts angegebenen Zustand an­ nehmen sollen, während verneinendenfalls der unten in Fig. 3 angegebene Zustand eingestellt wird. In anderen Worten bedeutet dies, daß im Falle ei­ ner verglichen mit der Regeltemperatur des Thermostatventiles 7 gleichen Temperatur TMOT des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher 6 so­ lange durchströmt wird, als dessen Temperatur TLWS nicht oberhalb derje­ nigen des Kühlmittels (= TMOT) liegt.

In der nunmehr erläuterten Abkühlphase III ist es erwünscht, die Kühlmittel­ temperatur TMOT möglichst schnell von beispielsweise 110°C auf bei­ spielsweise 85°C abzusenken. Diese Abkühlung erfolgt vorrangig durch den Kühler 3, wobei jedoch eine Wärmeabgabe an den Wärmespeicher 6 unter­ stützend herangezogen werden kann, solange dessen Temperatur unterhalb derjenigen des Kühlmittels liegt. In anderen Worten bedeutet dies, daß abzu­ fragen ist, ob die Kühlmitteltemperatur TMOT größer ist als die Temperatur TLWS des Wärmespeichers. Auch dies ist für die Abkühlphase III in Fig. 3 dargestellt. Wird diese Frage mit "JA" beantwortet, so kann der Wärmespei­ cher 6 durchströmt werden, wozu die Ventile V1 bis V5 in den rechts ange­ gebenen Zustand gebracht werden können, während dann, wenn diese Frage mit "NEIN" beantwortet ist, ein Durchfluß durch den Wärmespeicher 6 verhindert werden muß und somit die Ventile V2 und V3 geschlossen bzw. "zu" sein müssen. Anderenfalls würde nämlich der Wärmespeicher 6 uner­ wünschtermaßen durch das demgegenüber kältere Kühlmittel entladen und gleichzeitig die gewünschte Abkühlung des Kühlmittels behindert.

Die gleichen Überlegungen gelten grundsätzlich auch für die Kühlphase IV. Auch hier soll der Wärmespeicher 6 nur dann durchströmt werden, wenn er noch mit Wärme beladen werden kann, keinesfalls jedoch sollte eine Entla­ dung des Wärmespeichers 6 in dieser Kühlphase IV erfolgen. Daher werden die Ventile V1 bis V5 nur dann in den in Fig. 3 rechts angegebenen Zu­ stand gebracht, wenn die Temperatur TWLS des Wärmespeichers nicht oberhalb derjenigen der Kühlmitteltemperatur TMOT liegt.

Die in Fig. 3 ebenfalls noch dargestellte Erwärmungsphase V wurde bereits oben in Verbindung mit der Warmlaufphase I beschrieben, da die Abfrage und die Schaltstrategie für die Ventile in diesen beiden Phasen gleich ist.

Die bislang erläuterte Strategie macht eine zentrale elektronische Steuereinheit er­ forderlich, die sowohl die Temperatur des Wärmespeichers als auch die Regeltem­ peratur des Thermostaten kennt. Bevorzugt erhält diese elektronische Steuereinheit die Daten über einen Karosserie-Datenbus des mit der Brennkraftmaschine ausge­ rüsteten Kraftfahrzeuges. Liegt eine derartige Datenübermittlung nicht vor, so kann die im folgenden erläuterte vereinfachte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlmittelkreislaufes zum Einsatz kommen. Demnach kann im Laufe eines Brenn­ kraftmaschinen-Betriebszyklus nach erstmaligem Erreichen der Warmphase II eine Durchströmung des Wärmespeichers 6 im wesentlichen nur bei Vorliegen einer quasi-stationären Kühlmitteltemperatur erfolgen. Der Wärmespeicher 6 wird somit im wesentlichen nur während der Warmphase II sowie währen der Kühlphase IV durchströmt, wohingegen in der Abkühlphase III sowie in der Erwärmungsphase V der Wärmespeicher 6 gegen Durchströmen gesperrt ist. Auch mit dieser vereinfachten Strategie sind die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung nutzbar, wobei jedoch keine fortlaufende Überwachung der Wärmespeicher- Temperatur TLWS des Wärmespeichers 6 erforderlich ist. Dabei sollte jedoch das Erreichen der Warmphase II mit im wesentlichen maximal möglicher Kühlmitteltemperatur abgewartet werden, ehe in der Abkühlphase III sowie in der Erwärmungsphase V ein Durchströmen des Wärmespeichers 6 unterbunden wird, um sicherzustellen, dass bei extremen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine überhaupt eine Beladung des Wärmespeichers erfolgen kann.

Generell kann die Temperatur TWLS des Wärmespeichers in diesem selbst ermittelt werden, es ist aber auch möglich, diesen Temperaturwert durch die Kühlmittel-Temperatur im Bereich des Austritts aus dem Wärmespeicher 6 repräsentieren zu lassen. Stets erreicht man mit der angegebenen Schalt­ strategie bzw. mit dem angegebenen Kühlmittelkreislauf, daß die systemim­ manenten Vorteile sowohl des Wärmespeichers 6 als auch des in seiner Regeltemperatur veränderbaren Thermostatventiles 7 optimal genutzt wer­ den. Stets ergibt sich eine bestmögliche Erwärmung des Kühlmittels, wenn dieses erwünscht ist, bzw. eine schnellstmögliche Abkühlung desselben, falls dieses erwünscht ist. Auch ist sichergestellt, daß der Wärmespeicher 6 stets bestmöglichst beladen wird. Dabei können selbstverständlich eine Vielzahl von Details durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel ge­ staltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (1)

1. Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem den Kühlmittelstrom durch den Kühler (3) steuernden Thermostatventil (7), dessen Regeltem­ peratur veränderbar ist sowie mit einem wahlweise durchströmbaren Wär­ mespeicher (6),
   wobei im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur niedrigeren Temperatur (TMOT) des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher (6) nur dann durchströmt wird, wenn die Kühlmitteltemperatur (TMOT) unterhalb derjeni­ gen des Wärmespeichers (TLWS) liegt,
   und wobei im Falle einer gegenüber der Regeltemperatur gleichen oder hö­ heren Temperatur (TMOT) des umgewälzten Kühlmittels der Wärmespeicher (6) solange durchströmt wird, als dessen Temperatur (TLWS) nicht oberhalb derjenigen des Kühlmittels liegt.