DE10007241B4 - Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf, die miteinander verbunden sind, und einer Wasserpumpe (18) zum Fördern des Kühlwassers durch beide Kreisläufe, wobei
– der äußere Kreislauf (22) durch ein Kurbelgehäuse (2) und einen Zylinderkopf (3) der Brennkraftmaschine (1 ), durch einen über eine Leitung (5) direkt mit dem Zylinderkopf (3) verbundenen Heizwärmetauscher (6) und optional durch einen Kühler (11) geführt ist,
– der innere Kreislauf (23) durch das Kurbelgehäuse (2) der Brennkraftmaschine (1) geführt ist,
– der innere Kreislauf (23) einen niedrigen Durchflusswiderstand aufweist,
– im inneren Kreislauf (23) ein temperaturabhängig schaltbares Kurzschluss-Ventil (21) mit frei wählbarem Durchflusswiderstand angeordnet ist, welches derart ausgelegt ist, dass es im kalten Zustand der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur des Kühlwassers geöffnet ist, so dass der überwiegende Teil des Kühlwassers durch das Kurbelgehäuse (2) und nur ein geringer Anteil der gesamten Kühlwassermenge durch...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf.
• Aus der DE 37 07 789 C2 ist ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der das Kühlwasser ständig durch den Flüssigkeitskühler geschickt wird. Hierdurch erwärmt sich das Kühlwasser verhältnismäßig langsam. Mit dem dort beschriebenen Kühlsystem soll eine intensive Kühlung des Zylinderkopfes erreicht werden.
• In der DE 29 23 523 A1 ist ein Kühlwasserkreislauf beschrieben, der eine Vielzahl von Steuer- und Regelelementen aufweist und für mehrere Temperaturbereiche ausgelegt ist. Nachteilig ist dabei, dass sich eine dementsprechend aufwändige Regelung ergibt.
• Das Kühlsystem gemäß der DE 33 17 454 A1 weist ebenfalls eine große Anzahl an Ventilen auf, die eine unnötige Komplizierung des Systems darstellen und einer praktischen Anwendung desselben entgegenstehen. Hierbei wird die Durchströmung des Zylinderkopfes mit der Stellung eines Ventils unabhängig von der Durchströmung des Kurbelgehäuses geregelt.
• Aus der GB 2 247 745 A ist ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine mit Zylinderkopf und Zylinderblock bekannt, mit dem eine schnellere Aufheizung der Brennkraftmaschine erreicht werden soll. Dort ist ebenfalls ein äußerer Kreislauf (enthaltend u. a. den Wärmetauscher 19 und optional den Kühler 20) und ein in nerer Kreislauf (mit der Pumpe 24 und der Bypass-Leitung mit dem Ventil 16) offenbart, die mit einander verbunden sind und beide durch eine Pumpe 24 angetrieben werden. Gemäß der Lehre von D4 ist jedoch zwingend vorgeschrieben, dass im kalten Zustand der Brennkraftmaschine das Ventil 16 geöffnet und die beiden Ventile 26 und 22 geschlossen sein müssen. Hierdurch wird jeglicher Kühlmittelfluss durch den Zylinderkopf und den Wärmetauscher 18 der Fahrgastraum-Heizung verhindert.
• Ein Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf und einem temperaturabhängig schaltbaren Ventil beschreibt die DE 22 06 266 C2 . Aus den 2a-c ist ein innerer Kreislauf, bestehend aus dem Kurbelgehäuse 2, 6, 19, Ventil 21, 13 und Pumpe 12, und ein äußerer Kreislauf, bestehend aus dem Kurbelgehäuse 2, dem Zylinderkopf 2, 5, 10, 8, Kühler 9, 13, Ventil 15, Ventil 21, 13 und Pumpe 12, bekannt. Auch hier wird in kaltem Zustand der Brennkraftmaschine nur der innere Kühlkreislauf nicht jedoch der äußeren Kreislauf durchströmt (siehe 2a). Außerdem wird in warmen bzw. heißen Zustand der Brennkraftmaschine (siehe 2b,c) der innere Kühlkreislauf immer noch durchströmt, da das Ventil 21 im kalten Zustand (2a) geschlossen und im warmen Zustand (2b,c) geöffnet ist.
• Ein Verfahren zur Regelung eines Kühlwasserkreislaufes ist aus der DE 197 41 861 A1 bekannt. In einer den Heizwärmetauscher umgehenden Bypassleitung ist dabei ein motordrehzahlabhängig geregeltes Differenzdruckventil angeordnet, welches bei höheren Drehzahlen die Bypassleitung freigibt. Dadurch wird bei niedriger Motortemperatur das gesamte Kühlwasser durch die Heizleitung geführt und die anfallende Motorwärme vollständig über den Heizwärmetauscher abgegeben.
• Die DE 41 12 497 A1 beschreibt eine Flüssigkeitskühlung für Brennkraftmaschinen mit einem ersten im Kurzschluss durch die Brennkraftmaschine geführten Primärkreislauf und einem von dem Primärkreislauf abgezweigten Sekundärkreislauf. Der Primärkreislauf weist dabei ein hohes Temperaturniveau auf, wohinge gen der Sekundärkreislauf einen geringen Kühlmitteldurchsatz und ein großes Temperaturgefälle besitzt. Durch einen Bypass in einem Thermostatventil kann unabhängig von der Stellung des Thermostatventils ständig die überwiegende Kühlmenge in den Primärkreislauf gesteuert werden.
• Bei diesen beiden Verfahren ist jedoch nachteilig, dass trotz verhältnismäßig großer Anstrengungen insbesondere im kalten Zustand der Brennkraftmaschine keine ausreichende Abwärme von derselben für den Heizwärmetauscher zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes entnommen werden kann.
• Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlwasserkreislauf für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welchem eine schnellere Aufheizung der Brennkraftmaschine bzw. des Kühlwassers, welches einen an der Brennkraftmaschine angeschlossenen, zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums dienenden Heizwärmetauscher durchströmt, gegeben ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Dadurch, dass nur ein geringer Anteil der gesamten Kühlwassermenge durch den Zylinderkopf geleitet wird, ist vorteilhafterweise eine relativ langsame Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers vorhanden und dieser Anteil wird sehr viel schneller erhitzt als dies der Fall ist, wenn die gesamte Kühlwassermenge durch den Zylinderkopf strömt. Dadurch erreicht der Zylinderkopf schneller eine höhere Temperatur und es ist eine größere Menge an Wärmeenergie für die Fahrzeugheizung vorhanden, welche zu einer schnelleren Aufheizung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden kann.
• Ein weiterer Vorteil der schnelleren Erhitzung des Zylinderkopfes ist auch ein früheres Starten des Katalysators, da dieser in kürzerer Zeit mit ausreichend heißem Abgas durchströmt wird. Außerdem ergibt sich hierdurch ein geringerer Kraftstoffverbrauch in der Aufwärmphase.
• Dies wird erfindungsgemäß durch das temperaturabhängige Umschalten des in dem inneren Kreislauf angeordneten Ventils erreicht, welches zwischen einer Kühlwasserführung, in der das Kühlwasser in dem inneren Kreislauf und somit lediglich in dem Kurbelgehäuse zirkuliert, und einem äußeren Kreislauf, in den hauptsächlich der Zylinderkopf, jedoch auch das Kurbelgehäuse, einbezogen sind, umschaltet.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
• Die einzige Figur zeigt eine nur schematisch dargestellte Brennkraftmaschine mit einem Kühlwasserkreislauf gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Eine Brennkraftmaschine 1 für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug besteht aus einem Kurbelgehäuse 2 und einem an dem Kurbelgehäuse 2 angebrachten Zylinderkopf 3. Des weiteren weist die Brennkraftmaschine 1 einen Kühlwasserkreislauf 4 auf, welcher folgendermaßen aufgebaut ist:
  Von dem Zylinderkopf 3 führt eine Leitung 5 zu einem an sich bekannten Heizwärmetauscher 6, an den ausgangsseitig eine weitere Leitung 7 angeschlossen ist. Die Leitung 7 verzweigt sich an einem Verzweigungspunkt 8 in eine Leitung 9, die in später ausführlich beschriebener Art und Weise mit dem Kurbelgehäuse 2 verbunden ist, und eine Leitung 10, die an einen Kühler 11 bekannter Bauart angeschlossen ist. Der Kühler 11 ist über eine Leitung 12, ein Ventil 13 und eine weitere Leitung 14 mit dem Zylinderkopf 3 verbunden.
• Die mit dem Kurbelgehäuse 2 verbundene Leitung 9 ist an einem weiteren Verzweigungspunkt 15 in eine erste Teilleitung 16 und eine zweite Teilleitung 17 aufgeteilt. Die erste Teilleitung 16 stellt die Zuleitung zu einer Wasserpumpe 18 dar, von der aus eine Leitung 19 zu dem Kurbelgehäuse 2 führt. Aus dem Kurbelgehäuse 2 tritt eine weitere Leitung 20 aus, die über ein temperaturabhängig schaltbares Kurzschlussventil 21 mit der zweiten Teilleitung 17 verbunden ist. Auf diese Art und Weise kann bei entsprechender Förderung durch die Wasserpumpe 18 aus dem Kurbelgehäuse 2 ausströmendes Kühlwasser durch die Leitung 20, das Kurzschlussventil 21, die zweite Teilleitung 17, die erste Teilleitung 16, die Wasserpumpe 18 und die Leitung 19 wieder zurück in das Kurbelgehäuse 2 strömen.
• Aus dem oben beschriebenen wird deutlich, dass der Kühlwasserkreislauf 4 der Brennkraftmaschine 1 konstruktiv betrachtet zwei Teilkreisläufe aufweist, nämlich einen äußeren Kreislauf 22, bestehend aus der Leitung 5, dem Heizwärmetau scher 6, der Leitung 7, der Leitung 10, dem Kühler 11, der Leitung 12, dem Ventil 13 und der Leitung 14, und einen inneren Kreislauf bzw. Kurzschlusskreislauf 23, bestehend aus der Leitung 20, dem Kurzschlussventil 21, der Leitung 17, der Leitung 16, der Wasserpumpe 18 und der Leitung 19. Es wird ebenfalls deutlich, dass das Kühlwasser in dem äußeren Kreislauf 22 den Zylinderkopf 3 und das Kühlwasser in dem inneren Kreislauf 23 das Kurbelgehäuse 2 der Brennkraftmaschine 1 durchströmt. Allerdings wird der äußere Kreislauf 22 nicht in der Form eines Kreislaufes durchströmt; vielmehr tritt aus dem Zylinderkopf 3 im untenstehend beschriebenen normalen Betrieb Kühlwasser beidseitig in die Leitungen 5 und 14 aus. An dem Verzweigungspunkt 8 ist der innere Kreislauf 23 über die Leitung 9 an den äußeren Kreislauf 22 angeschlossen.
• Durch Öffnen des Kurzschlussventils 21 wird im kalten Zustand der Brennkraftmaschine 1, d.h. also in der Aufwärmphase, erreicht, dass die Wasserpumpe 18 den überwiegenden Strom des Kühlwassers über den inneren Kreislauf 23 durch das Kurbelgehäuse 2 in der Art eines Kurzschlusses fördert, da der Durchflusswiderstand in diesem Bereich verhältnismäßig niedrig ist. Auf diese Art und Weise fließt in dem äußeren Kreislauf 22 nur eine sehr geringe Kühlwassermenge mit entsprechend niedriger Strömungsgeschwindigkeit und der Zylinderkopf 3 sowie der an dem Zylinderkopf 3 über die Leitung 5 angeschlossene Heizwärmetauscher 6 erfahren demzufolge nur eine geringe Durchströmung. Dadurch wird erreicht, dass der Zylinderkopf 3 bzw. sich in dem Zylinderkopf 3 befindliche Brennraumdächer schnell aufgeheizt werden, da das Kühlwasser in diesen Bereichen nur sehr langsam vorbeiströmt und so die an den Brennraumdächern aufgrund der in der Brennkraftmaschine 1 ablaufenden Verbrennung entstehende Wärme schneller aufnehmen kann. Dies führt selbstverständlich dazu, dass auch das Kühlwasser sich schneller erhitzt und dem Heizwärmetauscher 6 ausschließlich Kühlwasser mit verhältnismäßig hoher Temperatur zugeführt wird, da der Heizwärmetauscher nur an den Zylinderkopf 3 angeschlossen ist. Auf diese Art und Weise kann eine schnellere Beheizung eines nicht dargestellten Innenraums des Kraftfahrzeugs erreicht werden. Durch die Geschlossenstellung des Ventils 13 wird erreicht, dass das Kühlwasser aus dem Zylinderkopf 3 nur in die Leitung 5 und nicht in die Leitung 14 strömen kann und somit die gesamte erhitzte Kühlwassermenge dem Heizwärmetauscher 6 zugute kommt.
• Wenn das Kurzschlussventil 21 wie im vorliegenden Fall als Drehschieberventil ausgebildet ist, kann hierdurch ein bestimmter, frei wählbarer Durchflusswider stand in dem inneren Kreislauf 23 eingestellt werden, der eine definierte Durchströmung beider Kreisläufe 22 und 23 gewährleistet. Das Kurzschlussventil 21 kann beispielsweise elektromagnetisch angesteuert und durch ein nicht dargestelltes Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 individuell geregelt werden.
• Bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur, die beispielsweise in einem Bereich von ca. 105 bis 115° C liegt, wird das Kurzschlussventil 21 geschlossen und die Wasserpumpe 18 fördert den kompletten Kühlwasserstrom durch das Kurbelgehäuse 2, den Zylinderkopf 3, den Heizwärmetauscher 6 und somit durch den gesamten Kühlwasserkreislauf 4. Bei diesem "normalen" Betrieb öffnet auch das mit dem Kurzschlussventil 21 temperaturabhängig gekoppelte Ventil 13 und den Zylinderkopf 3 verlassendes Kühlwasser kann sowohl in die Leitung 5 als auch in die Leitung 14 strömen. Diese beiden Ströme vereinen sich wieder in dem Verzweigungspunkt 8 bzw. in der Leitung 9.
• Wenn dagegen im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine das Kurzschlussventil 21 geöffnet bleibt, so ist weiterhin nur eine minimale Durchströmung des Zylinderkopfes 3 gegeben, so dass eine sehr hohe Kühlwassertemperatur in dem Zylinderkopf 3 entsteht. Diese hohe Kühlwassertemperatur trägt dann dazu bei, dass die Öltemperatur in dem Zylinderkopf 3 ebenfalls erhöht wird, was zu einer Verringerung von Reibungsverlusten führt. Auf diese Art und Weise kann gezielt auf die Kühlwasser- und die Öltemperatur der Brennkraftmaschine 1 Einfluss genommen werden.
• Eine alternative, nicht dargestellte Möglichkeit, mit der erreicht werden könnte, dass der Zylinderkopf 3 nur mit einer sehr geringen Kühlwassermenge durchströmt würde, könnte darin bestehen, eine elektrisch geregelte, abschaltbare Wasserpumpe 18 einzusetzen. Wenn diese sich in ihrem abgeschalteten Zustand befände, würde das Kühlwasser in dem gesamten Kühlwasserkreislauf 4 praktisch stehen und würde sich in dem Zylinderkopf 3 entsprechend schnell erhitzen.

Claims (5)

1. Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem äußeren Kreislauf und einem inneren Kreislauf, die miteinander verbunden sind, und einer Wasserpumpe (18) zum Fördern des Kühlwassers durch beide Kreisläufe, wobei – der äußere Kreislauf (22) durch ein Kurbelgehäuse (2) und einen Zylinderkopf (3) der Brennkraftmaschine (1 ), durch einen über eine Leitung (5) direkt mit dem Zylinderkopf (3) verbundenen Heizwärmetauscher (6) und optional durch einen Kühler (11) geführt ist, – der innere Kreislauf (23) durch das Kurbelgehäuse (2) der Brennkraftmaschine (1) geführt ist, – der innere Kreislauf (23) einen niedrigen Durchflusswiderstand aufweist, – im inneren Kreislauf (23) ein temperaturabhängig schaltbares Kurzschluss-Ventil (21) mit frei wählbarem Durchflusswiderstand angeordnet ist, welches derart ausgelegt ist, dass es im kalten Zustand der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur des Kühlwassers geöffnet ist, so dass der überwiegende Teil des Kühlwassers durch das Kurbelgehäuse (2) und nur ein geringer Anteil der gesamten Kühlwassermenge durch den Zylinderkopf (3), den Heizwärmetauscher (6) und optional den Kühler (11) geleitet wird, und dass es nach Erreichen einer vorbestimmten Temperatur geschlossen ist, so dass der innere Kreislauf (23) geschlossen ist, wodurch wenigstens annähernd die gesamte Kühlwassermenge durch den Zylinderkopf (3) geleitet wird.
2. Kühlwasserkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Temperatur des Kühlwassers in einem Bereich zwischen 105 bis 115° C liegt.
3. Kühlwasserkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Kühlwasserkreislauf (4) angeordneter Heizwärmetauscher (6) ausschließ lich mit der den Zylinderkopf (3) durchströmenden Kühlwassermenge versorgt wird.
4. Kühlwasserkreislauf nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer mit dem Zylinderkopf (3) verbundenen Leitung (12,14) ein schaltbares Ventil (13) angeordnet ist.
5. Kühlwasserkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (21) in dem inneren Kreislauf (23) als Drehschieberventil ausgebildet ist.