DE4033261C2 - Temperaturgesteuerter Kühlkreis einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen temperaturgesteuerten Kühlkreis einer Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Kühlmittellei­ tung, die von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar ist, wobei die Kühlmittelleitung durch einen Kurzschlußkreislauf, einen Kühlkreislauf und einen Fahrzeuginnenraum-Heizungskreis­ lauf gebildet ist, wobei zur Steuerung und/oder Regelung der Aufteilung des Kühlmittelmassenstroms auf die jeweiligen Kreisläufe zumindest zwei Stellelemente vorgesehen sind, die den Kühlkreislauf und den Heizungskreislauf bedarfsweise verschließen und jeweils signalleitend mit einem Steuergerät verbunden und unabhängig voneinander betätigbar sind, wobei die Stellelemente als Ventile ausgebildet sind und durch das Signal zumindest eines Temperaturfühlers ansteuerbar sind, der als Bauteiltemperaturfühler ausgebildet und signalleitend mit dem Steuergerät verbunden ist.

Ein solcher Kühlkreis ist aus der DE-OS 37 38 412 bekannt. Der Kühlkreis umfaßt zwei Kühlmittelpumpen, wobei eine der Pumpen mechanisch und die andere Pumpe elektrisch angetrieben ist. Die mechanische Pumpe ist für eine Grundförderleistung ausgelegt, wobei der mechanischen Pumpe bedarfsweise die elektrische Pumpe zugeschaltet werden kann, um das Kühlmittel in Abhängigkeit von Betriebskennwerten des zu kühlenden Motors zu fördern. Der Kühlkreis besteht aus drei Kreisläufen, die über zwei Ventile elektrisch geschaltet werden können. Eines der Ventile ist am Abzweig zwischen dem Kurzschlußkreislauf und dem Kühl­ kreislauf angeordnet, während das zweite Ventil in Strömungs­ richtung hinter dem ersten Ventil angeordnet ist und bedarfs­ weise den Weg durch den Kurzschlußkreislauf oder den Heizungs­ kreislauf freigibt. Die Aufgabe des vorbekannten Kühlkreises wird darin gesehen, mit Hilfe der beiden Kühlmittelpumpen den Kühlmittelmassenstrom bedarfsgerecht zu regeln. Geschaltet werden die beiden Ventile durch eine Steuereinheit in Abhängig­ keit verschiedener Eingangsgrößen, die beispielsweise durch die Motordrehzahl, die Kühlmitteltemperatur und die Bauteiltempera­ tur gebildet sein können. Dabei ist allerdings zu beachten, daß sofort nach der Inbetriebnahme des Motors die mechanische Pumpe mit der Förderung des Kühlmittels durch den Motor beginnt. Bei kaltem Motor ist es vorgesehen, daß das Kühlmittel vom Motor durch den Kurzschlußkreislauf der Kühlmittelleitung zurück in den Motor gepumpt wird. Dabei läßt es sich nicht vermeiden, daß das Kühlmittel, obwohl nicht erforderlich, eine Kühlung er­ fährt. Mit zunehmender Betriebsdauer der Verbrennungskraftma­ schine und ansteigenden Temperaturen werden die beiden elek­ trisch ansteuerbaren Ventile sowie die elektrisch angetriebene Pumpe derart betätigt, daß das Kühlmittel im Kühlkreislauf und/oder im Heizungskreislauf soviel Temperatur abgibt, daß eine Beschädigung der angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine durch Überhitzung ausgeschlossen werden soll.

Aus der DE-AS 12 07 710 ist eine Regelung der Kühlmitteltempe­ ratur von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen bekannt, wobei ein Temperaturfühler in einem unmittelbar den Verbren­ nungsgasen ausgesetzten Bauteil der Maschine angeordnet ist. Neben einer rascheren Erwärmung der Verbrennungskraftmaschine nach einem Kaltstart kann durch eine derartige Regelung die Kraftstoffausnutzung verbessert werden. In Abhängigkeit von der Temperatur des Bauteiltemperatursensors wird die Öffnungstem­ peratur eines zur Anwendung gelangenden Thermostaten in der erwünschten Weise verstellt. Dabei ist allerdings zu beachten, daß die Regelung der Bauteiltemperatur nicht feinfühlig genug erfolgt.

Ein weiterer Kühlkreis ist aus der DE-OS 30 24 209 bekannt. Die vorbekannte Flüssigkeitskühlung für Verbrennungsmotoren umfaßt ein Steuergerät, das signalleitend mit zwei elektrisch angetrie­ benen Pumpen verbunden ist, die unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine arbeiten. Dabei ist es vorgesehen, daß der Antrieb einer Pumpe über das Steuergerät ein- und ausschaltbar ist, wobei diese Pumpe als Absperrorgan für den Kühlmittelmassenstrom dient. Durch diese Ausgestaltung soll das Temperaturniveau des Motor in einem stets günstigen Bereich gehalten werden. Dabei ist allerdings zu beachten, daß ein derart ausgebildeter Kühlkreis in wirtschaftlicher Hinsicht wenig befriedigend ist. Abgesehen davon, daß es sich bei Pumpen, beispielsweise im Vergleich zu Thermostatventilen, um relativ teure Bauteile handelt, ist der Platzbedarf und die Energie, die zum Betrieb der Pumpe zur Verfügung gestellt werden müssen, erheblich. Beide Kreisläufe des Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine können gleichzeitig oder zeitlich verschoben eingeschaltet werden. Durch die gezielte Verteilung des Kühlmittelmassenstromes auf beide Kreisläufe wird die Kühlmitteltemperatur geregelt. Die Bauteiltemperatur der Verbrennungskraftmaschine wird durch die Regelung der Kühlmit­ teltemperatur indessen nur unzureichend beeinflußt.

Aus der DE-OS 33 17 454 ist ein Kühlsystem für eine flüssig­ keitsgekühlte Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahr­ zeuge bekannt, bei dem der Kühlmittelmassenstrom durch den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine, abhängig von der Temperatur des Kühlwassers, einstellbar ist. Dabei ist allerdings zu beachten, daß die Thermostatventile nicht unabhängig voneinander ansteuerbar sind und unmittelbar nach Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine eine Zirkulation des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung erfolgt. Der Zweck, der mit dem vorbekannten Kühlsystem verfolgt wird, wird darin gesehen, daß ein Kühlwasseraustausch zwischen dem Kühlwasser­ kreislauf des Zylinderkopfs und dem Kühlwasserkreislauf des Kurbelgehäuses nicht stattfinden kann und sich somit das Kühlmittel im Kühlwasserkreislauf des Zylinderkopfs schneller erwärmen und dadurch die Warmlaufphase der Brennkraftmaschine verkürzt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkreis der gattungsgemäßen Art derart weiterzuentwickeln, daß sich eine Verkürzung der Warmlaufphase und ein rascheres Erreichen der optimalen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine ergibt und somit eine verbesserte Abstimmung auf die jeweiligen Betriebs-Lastzustände des Motors gewährleistet ist, wobei zusätzlich der Kühlkreis einen einfachen Aufbau aufweist und eine einfache Ansteuerbarkeit der Stellelemente ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestal­ tungen nehmen die Unteransprüche Bezug.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkreis ist es vorgesehen, daß den beiden Stellelementen des Kühl- und Heizkreises ein gleichartig ausgebildetes, drittes Stellelement parallel geschaltet ist, das den Kühlmittelmassenstrom durch den Kurzschlußkreislauf bedarfsweise vollständig verschließt und daß die drei Stellelemente in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Hierbei ist von Vorteil, daß bei kalter Verbrennungskraftmaschine die drei Stellelemente die Kühlmittelleitung vollständig verschließen können. Das Kühlmittel, das zumeist aus Wasser und einem Gehalt an Frostschutz besteht, wird durch diese Ausgestaltung an einer Zirkulation durch das Kühlsystem und die angeschlossene Verbren­ nungskraftmaschine gehindert, was eine besonders schnelle Erwärmung bedingt. Durch das gleichartig ausgebildete, dritte Stellelement, das mit den beiden anderen Stellelementen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist, ergibt sich eine einfache Ansteuerbarkeit der Stellelemente durch das Steuer­ gerät.

Der Kühlmittelmassenstrom durch die Kühlmittelleitung kann durch die ansteuerbaren Stellelemente stufenlos eingestellt werden. Optimale Motorenbauteiltemperaturen werden durch Einstellung eines entsprechenden Kühlmittelmassenstroms durch die Verbrennungskraftmaschine erzielt. Der Wärmeübergang und Wärmetransport werden den jeweiligen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine angepaßt. Die Stellelemente geben in Abhängigkeit vom Signal des Steuergeräts einen bestimmten Leitungsquerschnitt frei und regeln die Temperatur thermisch hochbeanspruchter Bauteile durch Verteilung des Kühlmittelmas­ senstroms auf Kurzschluß-, Kühler- und/oder Fahrzeuginnenraum- Heizungskreislauf.

Das Steuergerät bildet bevorzugt einen Bestandteil einer elektronischen Motorsteuerung. Die Signalübermittlung kann dabei mittels eines Kennfeldes erfolgen. Auch der Heizungs­ kreislauf kann durch das Steuergerät betätigt werden. Diese Ausgestaltung stellt eine relativ einfache, betriebssichere, variable und die ohnehin vorhandenen Daten des Motoren-Mana­ gements ausnutzende Lösung dar.

In Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten des An­ wendungsfalles können die Stellelemente der Ein- oder Aus­ laßöffnung der Kühlmittelleitung zugeordnet sein.

Auch die Zuordnung der Stellelemente zu der Ein- und Auslaß­ öffnung ist möglich. Kriterien zur Beurteilung der räumlichen Zuordnung der Stellelemente innerhalb des Kühlsystems sind insbesondere durch die Größe des Einbauraums und die geforderte Höhe der Betriebssicherheit gegeben.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, daß den Stellelementen jeweils ein elektrisch betätigbarer Servoantrieb zugeordnet ist. Diese Möglichkeit der Betätigung wird in den meisten Fällen Anwendung finden. Elektrische Energie ist bei Verbrennungskraftmaschinen von der Batterie zu erhalten.

Die Stellelemente können durch die handelsüblichen Absperr-/ Drosselorgane, wie beispielsweise Ventile, gebildet sein.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich die Verbrennungskraftmaschine nach Inbetrieb­ nahme durch die individuell auf den jeweiligen Betriebszustand abgestimmte Kühlung der Motorenbauteile besonders schnell erwärmt und einen geringeren Verschleiß aufweist. Hierdurch wird eine höhere Lebensdauer erreicht und die Maschine ist wirtschaftlicher zu betreiben. Hinsicht schädlicher Abgasemis­ sionen ergibt sich eine wesentliche Verbesserung und eine Verminderung des spezifischen Treibstoffverbrauches. Vorteil­ haft darüber hinaus ist, daß dem Heizungskreislauf, der zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes vorgesehen und üblicherweise dem Kühlkreislauf parallel geschaltet ist, ein Hilfsmittel zur Begrenzung des Kühlmittelmassenstromes zugeordnet ist. Dadurch wird der Durchfluß durch den Heizungskreislauf erst bei opti­ malen Betriebstemperaturen der Maschine freigegeben. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Heizungskreislauf bei niedrigem Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine zu verschließen, um der Maschine keine Wärme zur Beheizung des Fahrzeuginnen­ raumes zu entziehen und dadurch die für den Verbrennungsablauf günstigen Temperaturen länger zu halten.

Die nachstehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung.

Die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme wird innerhalb der Verbrennungskraftmaschine 1 nur teilweise in kinetische Energie überführt, so daß die überschüssige Wärme kontinuierlich abgeführt werden muß, um eine Schädigung der Verbrennungskraftma­ schine durch Überhitzung zu verhindern. Die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 1 sind daher üblicherweise von einem Wassermantel 17 umschlossen, der auch einen Teil des Zylinder­ kopfs 18 ausfüllt. Der Wassermantel 17 der Verbrennungskraft­ maschine 1 ist mit einer Zu- 19 und einer Ablaufleitung 20 versehen. Die Zu- 19 und Ablaufleitung 20 sind durch eine Kurzschlußleitung 8 verbunden, wobei am Abzweig der Kurzschlußleitung 8 drei Stellelemente 11, 12, 13 vorgesehen sind, die jeweils mit einem Servoantrieb versehen sind.

In dem Ausführungsbeispiel ist in einer Parallelschaltung zu der Kurzschlußleitung 8 ein Kühler 21 vorgesehen, der als Wärmetauscher ausgebildet ist und aus einer Vielzahl parallel geschalteter, dünnwandiger Metallrohre besteht, die außenseitig von Kühlluft 22 umströmbar sind. Bei Erreichen einer aus­ reichend hohen Betriebstemperatur verschließt das Stellelement 11 die Kurzschlußleitung 8. Das aus der Ablaufleitung 20 abgeführte, erhitzte Kühlmittel, ist dadurch gezwungen, seinen Weg über den Kühler 21 und gegebenenfalls über den Fahrzeug­ innenraum-Heizungskreislauf 7 zu nehmen, wobei sich eine Absenkung seiner Temperatur ergibt. Für die Rückführung in die Kühlmittelleitung 2 der Verbrennungskraftmaschine 1 ist eine Kreiselpumpe 23 vorgesehen. Der Temperaturfühler 14 ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Bauteiltemperaturfühler ausgebildet und wie die Stellelemente 11, 12, 13 auch signalleitend mit einem Steuergerät 15 verbunden.

Bei kalter Verbrennungskraftmaschine 1 verschließen die Stell­ elemente 11, 12, 13 die zugeordneten Leitungen, bestehend aus Kurzschlußleitung 8, Kühlerleitung 9 und Heizungsleitung 10. Das Kühlmittel wird hierdurch an einer Zirkulation durch die Verbrennungskraftmaschine 1 und die Kühlmittelleitung 2 ge­ hindert, was eine besonders schnelle Erwärmung bedingt. Bei Erreichen der Betriebstemperatur wird zumindest eines der Stellelemente 11, 12, 13 durch den Temperaturfühler 14, der zweckmäßigerweise benachbart zu einer der wärmsten Stellen der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet sein sollte, mittels eines elektrischen Signals allmählich in Offenstellung über­ führt. Zumeist wird zunächst der Kurzschlußkreislauf 5 durch das Stellelement 11 freigegeben. Das Ende der Warmlaufphase ist erreicht, wenn das Kühlmittel im Kurzschlußkreislauf 5 seine Solltemperatur erreicht hat. Bei weiter steigenden Temperaturen der Verbrennungskraftmaschine müssen der Kühlkreislauf 6 und/oder der Heizungskreislauf 7 zusätzlich zum Kurzschluß­ kreislauf 5 oder statt dessen geöffnet werden.

Durch das Vorhandensein der Stellelemente 11, 12, 13 wird somit eine wesentliche Verkürzung der Warmlaufphase erreicht.

Die drei Stellelemente 11, 12, 13 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 16 untergebracht und jeweils signalleitend mit dem Steuergerät 15 verbunden. Alle drei Stellelemente 11, 12, 13 sind dabei getrennt betätigbar. Hierbei ist von Vorteil, daß sowohl die Kühlmitteltemperatur als auch die Motorenbauteiltem­ peratur Einfluß auf den Kühlmittelmassenstrom durch das System haben. Die Signalübermittlung kann dabei mittels eines Kenn­ feldes in Verbindung mit Temperaturfühlern 14 erfolgen. Auch der Heizungskreislauf 7 wird durch das Steuergerät 15 gesteuert.

Der Wärmeübergang und der Wärmetransport werden den Betriebspunkten der Maschine angepaßt. Die Stellelemente 11, 12, 13 beeinflussen die Kühlmitteltemperatur durch Verteilung des Kühlmittelmassen­ stroms auf Kurzschlußkreislauf 5, Kühlerkreislauf 6 und Hei­ zungskreislauf 7. Dadurch wird sowohl die gewünschte Fahr­ zeuginnenraumtemperatur als auch die optimale Brennraumtempera­ tur eingestellt. Die Fahrzeuginnenraumtemperatur kann von einem Temperatursensor 24 erfaßt werden. Durch Verschließen der Stellelemente 11 und/oder 12 kann bei Bedarf der Kühlmittel­ massenstrom durch die Heizung erhöht werden.

Alternativ zu der dargestellten Lösungsvariante ist auch eine Steuerung des Kühlmittelmassenstromes durch den Heizungskreis­ lauf 7 über einen beispielsweise handbetätigten Schieber möglich. Allerdings ist eine auf die optimale Temperatur der Verbrennungskraftmaschine 1 zugeschnittene Aufteilung des Kühlmittelmassenstromes innerhalb der Verbrennungskraftma­ schine 1 nur schwer zu erreichen. Selbstverständlich ist auf eine sinnvolle Abstimmung der Stellelemente 11, 12, 13 unter­ einander zu achten. Dem Kennfeld liegen die Daten des Motoren­ steuerung zugrunde.

Claims (6)

1. Temperaturgesteuerter Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine eine Umwälzpumpe enthaltende Kühlmittelleitung, die von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbar ist, wobei die Kühlmittel­ leitung durch einen Kurzschlußkreislauf, einen Kühlkreislauf und einen Fahrzeuginnenraum-Heizungskreislauf gebildet ist, wobei zur Steuerung und/oder Regelung der Aufteilung des Kühlmittelmassenstroms auf die jeweiligen Kreisläufe zumindest zwei Stellelemente vorgesehen sind, die den Kurzschlußkreislauf, den Kühlkreislauf und den Heizungskreislauf bedarfsweise verschließen und jeweils signalleitend mit einem Steuerge­ rät verbunden und unabhängig voneinander betätigbar sind, wobei die Stellelemente als Ventile ausgebildet sind und durch das Signal zumindest eines Temperaturfühlers ansteuerbar sind, der als Bauteiltempera­ turfühler ausgebildet und signalleitend mit dem Steuergerät verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kurzschlußleitung (8) des Kurz­ schlußkreislaufs (5), in der Kühlerleitung (9) des Kühlkreislaufs (6) und in der Heizungsleitung (10) des Heizungskreislaufs (7) jeweils ein Stelle­ lement (11, 12, 13) vorhanden ist, das unabhängig von den anderen beiden Stellelementen betätigbar ist, wobei die drei Stellelemente (11, 12, 13) in einem gemeinsamen Gehäuse (16) angeordnet sind, und daß der Kurzschlußkreislauf (5) durch das Stellelement (11) vollständig ver­ schließbar ist.

2. Kühlkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelmassenstrom durch die Kühlmittelleitung (2) durch die ansteuerbaren Stellelemente (11, 12, 13) stufenlos einstellbar ist.

3. Kühlkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Steuergerät (15) einen Bestandteil einer elektronischen Motorsteuerung bildet.

4. Kühlkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellelemente (11, 12, 13) der Ein- (3) oder Auslaßöffnung (4) der Kühlmittelleitung (2) zugeordnet sind.

5. Kühlkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellelemente (11, 12,13) der Ein- (3) und Auslaßöffnung (4) der Kühlmittelleitung (2) zugeordnet sind.

6. Kühlkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß den Stellelementen (11, 12, 13) zumindest ein elektrisch betätigbarer Servoantrieb zugeordnet ist.