DE3024209A1 - Fluessigkeitskuehlung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Bezeichnung: Flüssigkeitskühlung fur
• Verbrennungsmotoren F1üssigkeitküh1un für Verbrennung=*zotoren Die Erfindung bezieht sich auf eine FlUssigkeitskühlung für Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit einem geschlossenen,ein Absperrorgan od.
• dgl. und eine Kurzschlußleitung aufweisenden Kühlkreislauf und einer Pumpe zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit.
• Mit einer guten, die währenddem Arbeitsprozesses anfallende Kühlwärme im gewünschten Maß abführenden Kühlung lassen sich Sicherheit, Leistungsausbeute, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit des Motors steigern, wobei durch eine entsprechende Kühlungsregelung die Motortemperaturen unabhängig von den Betriebsverhältnissen in zulässigen Grenzen gehalten werden sollen. Bei den bekannten FlUssigkeitskühlungen mit Zwangsumlauf der Kühlflüssigkeit ist nun die Pumpe am Motorblock angeflanscht und ihr Antrieb wird von der Motorwelle durch einen Riementrieb od.dgl.
• abgeleitet. Die Regelung des Kühlflüssigkeitsumlaufes erfolgt dabei meist mit Hilfe eines thermostatgesteuerten Ventils, das in Abhängigkeit von der Kühlflüssigkeitstemperatur den Kühikreislauf freigibt, drosselt oder über die Kurzschlußleitung kurzschließt. Eine Anpassung der Kühlung an unterschiedliche Motor- und Außenzustände ist undurchführbar und nur umständliche Manipulationen im Motorraum, wie Austausch des Regelthermostaten, erlauben eine grobe Umstellung zwischen Winter- und Sommerbetrieb. Da aber die Koordination der Motorbetriebstemperatur mit den jeweiligen Belastungs- und Umweltsbedingungen den Wirkungsgrad, die Leistung, den Kraftstoffverbrauch, den Verschleiß usw. stark beeinflußt, muß bisher auf eine solche Optimierung des Motors verzichtet werden und die Nachteile einer Durchschnittsbemessung und -auslegung sind in Kauf zu nehmen. Darüber hinaus machen die Zwangskopplung der Pumpe mit der Motorwellendrehzahl und die thermostatgesteuerte Drosselregelung eine genauere Abstimmung der Kühlwirkung auf extremere Anforderungen unmöglich und bringen hohe Leistungsverluste mit sich. Die mangelnde Kühlungsregelung zeigt sich allein darin, daß einerseits bei langsamer Motordrehzahl und hoher Belastung, beispielsweise beim Bergfahren oder Kolonnenfahren, eine zu geringe und anderseits, beispielsweise beim Kaltstart, durch das Mitlaufen der Pumpe eine zu starke Kühlung entsteht.
• Beim Abstellen des heißen Motors bricht auch sofort der Kühlflüssigkeitsumlauf ab, und es besteht die Gefahr eines Hitzestaus im Motor. Durch das ständige Mitlaufen der Pumpe, durch den mit starken Verlustleistungen behafteten Keilriemenantrieb, durch die unzureichende Kühlungsregelung usw. wird der Wirkungsgrad des ganzen Motors von vornherein stark beeinträchtigt. Weiters ist für die am Motorblock sitzende Pumpe ein relativ hoher Konstruktionsaufwand erforderlich, der nicht nur durch die Pumpe selbst, sondern auch durch deren Anordnung und Platzbedarf begründet ist. Die angeflanschte Pumpe ergibt immer wieder Dichtungsschwierigkeiten und, da die Vibrationen und Temperaturen des Motorblocks direkt auf die Pumpe einwirken, ist sie sehr störanfällig.
• Sie ist schwer zugänglich und ihr Austausch bzw. ihre Reparatur bedarf umständlicher Ausbauarbeiten. Ähnliches gilt auch für das Thermostatventil. Es gibt keine oder des Ventils Funktionskontrollen, so daß ein Ausfall der Pumpe/nicht rechtzeitig bemerkbar ist und sich erst durch die Folgeerscheinungen zeigt, die meist bereits zu Schäden des Motors geführt haben.
• Zur Verbesserung der Kühlungsregelung sind auch schon temperaturabhängig gesteuerte Ventilatoren bekannt, die den Kühler des Kühlkreislaufes mit mehr oder weniger Kühlluft beaufschlagen. Diese Ventilatoren besitzen einen eigenen Elektromotor oder sind elektromagnetisch mit einem von der Motorwelle abgeleiteten Antrieb kuppelbar.
• Sie können den Kühlkreislauf nur indirekt beeinflussen, ergeben auch nur geringen Erfolg und sind außerstande, die Wirtschaftlichkeit bzw. Effektivität der eigentlichen Flüssigkeitskühlung zu heben sowie deren Aufwand zu senken.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beseitigen und eine Flüssigkeitskühlung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die sich vor allem durch einfache Konzeption und optimale Regelbarkeit auszeichnet.
• Die Erndung löst diese Aufgabe im wesentlichen dadurch, daß zur Regelung des Kühlflüssigkeitsumlaufes ein vorzugsweise elektronisches Steuergerät vorgesehen ist, das den Antrieb der Pumpe und/oder die Verstellung des Absperrorgans od.dgl. in Abhängigkeit vom Vergleich eines durch die Motortemperatur bestimmten Istwertes mit einem einstellbaren Sollwert steuert. Solche Steuergeräte, die mehrere Daten auswertende elektronische Steuergeräte oder auch einfachste Thermoschalter sein können, sind heute gängige, billige und leicht einzubauende Handelsartikel, die auf rationelle Weise eine wunschgemäße Wahl der Motortemperatur erlauben. Durch Verstellen des Sollwertes, was mit einem Handgriff etwa vom Armaturenbrett des Fahrzeuges aus möglich ist, wird die Kühlungsregelung auf eine bestimmte Motortemperatur abgestimmt und dementsprechend für eine stärkere oder geringere Wärmeabfuhr gesorgt. Dazu genügt es bereits, nur das Absperrorgan hinsichtlich seiner Ansprechtemperatur zu steuern, womit das Temperaturnivenau des Motors verändert wird.
• Eine andere Möglichkeit liegt in der Antriebs steuerung der Pumpe, die ebenfalls eine Anpassung der Kühlungsregelung an verschiedene Betriebsverhältnisse mit sich bringt.
• Zusätzlich wird dabei noch der Leistungsverlust durch die Pumpe herabgesetzt, da diese nun nur nach Bedarf arbeitet und nicht mehr mit der Motorwelle dauernd zwangsgekoppelt ist. Besonders vorteilhaft ist selbstverständlich die Steuerung sowohl der Pumpe als auch des Absperrorgans, wobei ein gemeinsames oder für Pumpe und Absperrorgan Je ein e-igenes Steuergerät vorhanden sein kann. Hier kommt es zu einer sehr genauen, über einen großen Bereich wirksamen Anpassung bzw. Temperaturwahl. Die Funktionen von Pumpe und Absperrorgan können sinnvoll aufeinander abgestellt werden, so daß mit geringsten Aufwand beste Ergebnisse erreichbar sind. Über das Steuergerät läßt sich das ordnungsgemäße Arbeiten von Pumpe und Abstellorgan einfach kontrollieren und die elektrische Steuerung ergibt größere Betriebssicherheit sowie auch eine Konstruktionsvereinfachung gegenüber einer Thermostatsteuerung.
• Der Sollwert kann auf einfache Weise händisch z.B.
• durch einen Schalter oder stufenlos durch ein Potentiometer verstellt werden.Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung der Sollwert über Meßfühler od.dgl. bzw. einen Bordcomputer in Abhängigkeit von Außenzuständen, Belastungsbedingungen oder Betriebsverhältnissen eingegeben wird. Dadurch ist automatisch eine Optimierung des Motorwirkungsgrades garantiert, da über die entsprechenden MeB- oder Computerdaten der Sollwert und damit die Motortemperatur und Kühlwirkung an Luftdruck, Lufttemperatur, Feuchtigkeit, Belastung, Gemischzusammensetzung, Einspritzmenge und -zeit, Zündzeitpunkt usw. angepaßt wird.
• Um eine einfache Steuerbarkeit für den Pumpenantrieb zu erreichen, kann erfindungsgemäß die Pumpe über eine durch das Steuergerät betätigbare Kupplung, insbesondere elektromagnetische Kupplung, mit der Motorwelle antriebsverbunden sein. Der Pumpenantrieb läßt sich so ohne Schwierigkeiten abschalten bzw. bei Bedarf einkuppeln, wodurch eine gute Kühlungsregelung und eine Leistungseinsparung gegeben ist.
• In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung weist die Pumpe einen von der Motorwellendrehzahl unabhängigen, vorzugsweise elektrischen Antrieb auf, der über das Steuergerät ein- und ausschaltbar und/oder dessen Leistung über das Steuergerät veränderbar ist. So kann die Kühlung feinfühlig an die Betriebsverhältnisse des Motors angepaßt werden, da der Kühlflüssigkeitsumlauf nicht mit dem Lauf des Motors zwangsgekoppelt ist, sondern rein nach dem gewünschten Temperaturniveau im Motor geregelt wird. Bei Kaltstart des Motors bleibt die Pumpe außer Funktion, bis die gewünschte Betriebstemperatur erreicht ist, bei Kolonnen- oder Bergfahren kommt es trotz der langsamen Motordrehzahl zu voller KUhlflUssigkeitsumwälzung und damit zu voller Kühlung und auch nach Abstellen des Motors wird weitergekühlt, bis die Motortemperatur auf das gewünschte Maß abgebaut ist. Der vom Motorbetrieb getrennte Kühlbetrieb gewährleistet eine exakte Temperaturregelung des Motors, wodurch allein schon der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Motors erhöht werden. Es ergibt sich eine einfache Kontrollmöglichkeit der Pumpenfunktion, eine Freizügigkeit der Anordnung und eine gute Zugänglichkeit. Da die Pumpe nicht mehr am Motorblock angebaut sein muß, können übliche, als Massenartikel zur Verfügung stehende Pumpen verwendet werden, die mit wenigen Handgriffen, beispielsweise durch Schlauchklemmen od.dgl. ohne Dichtungsprobleme anschließbar sind. Die vom Motorblock getrennte Pumpe besitzt eine höhere Lebensdauer und, da ihr Betrieb Ja frei gesteuert werden kann, ist nicht nur ihr wirtschaftlicher, leistungssparender Einsatz gegeben, sondern es könnte sogar auf den Einbau eines Absperrorganes verzichtet werden. Außerdem ist nun der bisher von der Wasserpumpe und ihrem Antrieb eingenommene Platz am Motorblock frei, der ganze Motorblock kann demnach einfacher ausgestaltet und die anderen Hilfsgeräte günstiger angeordnet werden, beispielsweise könnte die Lichtmaschine direkt auf der Kurbelwelle sitzen, so daß sich eine rationellere Konstruktion und eine Einsparung von Verlustleistungen erreichen lassen. An und für sich ist für die Pumpe jeder eigenständig steuerbare Antrieb, z.B. ein hydrostatischer Antrieb oder eine Abgasturbine usw. möglich. Für Fahrzeugmotoren bietet sich hier aber vor allem ein batteriegespeister Elektromotor an, der nicht nur ein billiger Wegwerfartikel ist, sondern auch einfach eingebaut werden kann. Zur Kühlungsregelung genügt ein entsprechendes Ein- und Ausschalten des Pumpenantriebes, da Ja die Einschaltdauer den Kühleffekt beeinflußt. Genauso ist auch eine Leistungsregelung möglich, wobei selbstverständlich die Kombination von Leistungsregelung und Ein- und Ausschaltregelung die weitreichendste Kühlungsregelung und Anpaßbarkeit ergibt.
• Um das Absperrorgan im gewünschten Sinn steuerbar zu machen, kann in einfacher Weise als Absperrorgan ein mit dem Steuergerät zusammenwirkendes motorisch oder elektromagnetisch betriebenes Ventil od.dgl. dienen, das entsprechend den eingestellten Ansprechwerten den Kreislauf öffnet, drosselt oder schließt.
• Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn nach einer weiteren Aúsgestaltung der Erfindung als Absperrorgan eine zweite Pumpe dient, deren Antrieb über das Steuergerät ein- und ausschaltbar ist. Diese Pumpe wirkt im ausgeschalteten Zustand als Absperrorgan, hilft aber im eingeschalteten Zustand den Strömungswiderstand des Kühlers bzw. des Kühlkreislaufes zu überwinden und ergibt zusammen mit der anderen Pumpe einen verstärkten KühlflUssigkeitsumlauf. Beide Pumpen brauchen dabei nur auf geringe Leistung ausgelegt zu sein und gewährleisten eine optimale Kühlung mit weitgehendsten Regelungsmöglichkeiten. So sorgt z.B. der kurzgeschlossene Kreislauf mit der einen Pumpe für die Kühlung bei geringen Belastungen und günstigen Außenzuständen, wobei diese eine Pumpe auch nur dann läuft, wenn eine bestimmte Mindesttemperatur des Motors erreicht wird. Steigt durch entsprechende Zustands- oder Belastungsänderungen die Motortemperatur über eine gewünschte Grenztemperatur, d.h. reicht der kurzgeschlossene Kreislauf zur Kühlung nicht mehr aus, schaltet sich die zweite Pumpe und damit der normale Kühikreislauf dazu, so daß nunmehr ein ausreichender Kühleffekt gewährleistet ist. Sobald die Temperatur im Motor wieder sinkt und die Grenztemperatur unterschreitet, schaltet die zweite Pumpe ab und der Kühlkreislauf wird wieder auf den kurzgeschlossenen beschränkt. Sollte auch dieser kurzgeschlossene Kreislauf noch eine zu starke Kühlung ergeben, wird auch die erste Pumpe abgeschaltet.
• Mit diesen beiden Pumpen ist eine genaue Kühlungsregelung über einen großen Temperaturbereich möglich, da sichergestellt ist, daß der Motor raschest sine Betriebstemperatur erreicht und den Betriebstemperaturbereich weder unter- noch überschreitet, wobei diese Betriebstemperatur jederzeit einstellbar und an Umweltbedingungen u.dgl. anpaßbar bleibt.
• In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 und 2 das Anlageschema zweier AusfUhrungsmöglichkeiten.
• Die Flüssigkeitskühlung eines Verbrennungsmotors 1 umfaßt einen geschlossenen Kreislauf 2, eine Kurzschlußleitung 3 und eine Pumpe 4 zum Umwälzen der KühlflUssigkeit. Gemäß Fig. 1 ist in den Kühlkreislauf 2 ein elektromagnetisch oder motorisch betriebenes Ventil 5 eingebaut, das zur Kühlungsregelung den Kühlkreislauf freigibt, drosselt oder kurzschließt. Die Verstellung des Ventils 5 wird dabei von einem Steuergerät 6 bewirkt, das den Antrieb des Ventils in Abhängigkeit einer Abweichung der Motortemperatur als Istwert von einem einstellbaren Sollwert steuert. Das Steuergerät 6 ist hier ein einfacher Thermoschalter, dem der Istwert über einen Temperaturfühler 7 eingegeben und dessen Sollwert über ein Potentiometer 8,beispielsweise vom Armaturenbrett eines Fahrzeuges aus,vorgewählt wird. Das Steuergerät 6 kann auch gleichzeitig einen Ventilator 9 steuern, der den Kühler 10 des Kühlkreislaufes mit Kühlluft beaufschlagt. Durch das Potentiometer 8 und den damit verstellbaren Sollwert für das Steuergerät 6 ist es möglich, über die Kühlung die Betriebstemperatur des Motors 1 zu variieren und an verschiedene Betriebsverhältnisse, z.B. Sommer- und Winterbetrieb, anzupassen, ohne daß dazu aufwendige Umrüstarbeiten notwendig wären.
• Eine feinere Anpassungsmöglichkeit und Regelbarkeit des Kühlkreislaufes sowie ein wirtschaftlicher Betrieb ergeben sich, wenn, wie in Fig. 1 strichliert angedeutet, vom Steuergerät 6 auch der Antrieb dér 1 pe 4 gesteuert wird, was z.B. durch die entsprechende Betätigung einer elektromagnetischen Kupplung 11 durchführbar ist. Auf Grund dieser Kupplung 11 kann der Antrieb der Pumpe 4 vom Motor 1 abgeleitet sein und trotzdem wunschgemäß ein- und ausgeschaltet werden, was leistungssparend ist und eine gute Kühlungsregelung erlaubt.
• Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist zur Flüssigkeitskühlung des Verbrennungsmotors 1 wieder ein geschlossener, eine Kurzschlußleitung 3 und einen Kühler 10 aufweisender Kühlkreislauf 2 vorgesehen. Zum Umwälzung der Kühlflüssigkeit dient aber eine elektrische Pumpe 4a und das Absperrorgan ist ebenfalls eine elektrische Pumpe 4b.
• Die beiden elektrischen Pumpen 4a, 4b werden von einer Batterie 12, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, gespeist und laufen unabhängig von der Motordrehzahl des Verbrennungsmotors 1. Zur Regelung des Kühlflüssigkeitsumlaufes dient ein elektronisches Steuergerät 6a, das den Antrieb der beiden Pumpen 4a, 4b Jeweils in Abhängigkeit von den gewünschten Temperaturverhältnissen im Motor 1 ein- und ausschaltet. Dazu wird dem Steuergerät 6a die Jeweilige Motortemperatur über einen Temperaturfühler 7 als Istwert eingegeben, dort mit einem einstellbaren Sollwert verglichen und entsprechend der Abweichung des Istwertes vom Sollwert der Antrieb beider Pumpen ausgeschaltet, nur der Antrieb der einen Pumpe 4a eingeschaltet oder der Antrieb beider Pumpen 4a, 4b eingeschaltet. Die Pumpenfunktion wird dabei durch eine Kontrollampe 13 angezeigt. Um bei der Einstellung des Sollwertes den Außenzustand berücksichtigen zu können, sind an das Steuergerät 6a Meßfühler 7a für Luftdruck, Lufttemperatur und Feuchtigkeit angeschlossen. Außerdem kann dem Steuergerät 6a ein Potentiometer 8 zugeordnet sein, mit dem der Sollwert im Steuergerät auch händisch beeinflutbar ist. Zur Abstimmung der Kühlungsregelung auf Belastungs- und Betriebsverhältnisse des Motors selbst ist es auch möglich, das Steuergerät 6a mit einem Bordcomputer zu verbinden. Eine sinnvolle Ergänzung dieses Kühlsystems ist ein elektrischer Ventilator 9, der ebenfalls vom Steuergerät 6a in Abhängigkeit der Ist-Sollwerte gesteuert wird.
• Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Kühlung des Verbrennungsmotors 1 vollkommen unabhängig von dessen Motorwellendrehzahl und daher feinfühlig an die tatsächlichen Temperaturverhältnisse im Motor anpaßbar. Die Kühlungsregelung erfolgt dabei über den Antrieb der beiden elektrischen Pumpen 4a, 4b, die jeweils separat gesteuert sind, so daß entweder im Kühlmantel des Motors 1 eine Selbstumlaufkühlung erfolgt, wenn bei niedrigen Temperaturen beide Pumpen 4a, 4b ausgeschaltet sind, eine Pumpenumlaufkühlung mit kurzgeschlossenem Kreislauf erfolgt, wenn die Betriebstemperatur des Motors erreicht und zu ihrer Aufrechterhaltung der Betrieb der einen Pumpe 4a ausreicht, oder eine Pumpenumlaufkühlung mit erweitertem Kreislauf stattfindet, wenn bei starker Motorbelastung eine hohe Kühlwirkung erforderlich ist und beide Pumpen 4a, 4b eingeschaltet sind.
• Die erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlung bringt abgesehen von der funktionssicheren, gut regelbaren Kühlung vor allem die Möglichkeit einer Optimierung des Motorwirkungsgrades hinsichtlich Motortemperatur, Belastungsverhältnissen, Außenzuständen und Betriebsbedingungen mit sich, da die Kühlungsregelung über das Steuergerät händisch oder automatisch auf die verschiedensten Einflüsse abgestellt und die Betriebstemperatur danach ausgerichtet wird.
• Leerseite

Claims (6)

Patentansprüche.

1. FlUssigkeitskUhlung für Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, mit einem geschlossenen, ein Absperrorgan od.dgl. und eine Kurzschlußleitung aufweisenden Kühlkreislauf und einer Pumpe zum Umwälzen der Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des KUhlflUssigkeftslZmlaufes ein vorzugsweise elektronisches Steuergerät (6,6a) vorgesehen ist, das den Antrieb der Pumpe (4;4a) undZoder die Verstellung des Absperrorgans od.dgl. (5;4b) in Abhängigkeit vom Vergleich eines durch die Motortemperatur bestimmten Istwertes mit einem einstellbaren Sollwert steuert.

2. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert über Meßfühler (7a) od.dgl.

bzw. einen Bordeosputer in Abhängigkeit von Außenzuständen, Belastungsbedingungen oder Betriebsverhältnissen dem Steuergerät (6a) eingebbar ist.

3. ?lüssigkeitskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe über eine durch das Steuergerät (6) betätigbare Kupplung, insbesondere elektromagnetische Kupplung (11> mit der Motorwelle antriebsverbunden ist.

4. Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (4a) einen von der Motorwellendrehzahl unabhängigen, vorzugsweise elektrischen Antrieb aufweist, der über das Steuergerät (6a) ein- und aus schaltbar undXoder dessen Leistung über das Steuergerät veränderbar ist.

5. FlUssigkeitskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Absperrorgan ein mit dem Steuergerät (6) zusammenwirkendes motorisch oder elektromagnetisch betriebenes Ventil (5) od.dgl. dient.

6 Flüssigkeitskühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Absperrorgan od. dgl.

eine zweite Pumpe (4b) dient, deren Antrieb über das Steuergerät (6a) ein- und ausschaltbar ist.