DE10037823A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Kühlwasserkreislaufes in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Regelung des Kühlwasserkreislaufes in einer Brennkraftmaschine weist eine das Kühlwasser beaufschlagende Pumpeneinheit, einen Kühlkreis mit einem Kühler, ein Schaltelement zur Einstellung des Kühlwasserstromes durch den Kühlkreis und eine Steuereinheit zur Einstellung der Komponenten der Vorrichtung auf. DOLLAR A In einer kraftstoffsparenden Ausführung umfasst die Pumpeneinheit zwei unabhängig voneinander betätigbare Pumpen, wobei eine erste Pumpe in einem ersten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zuschaltbar und die zweite Pumpe in einem zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zuschaltbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren zur Regelung des Kühlwasserkreislaufes in einer Brennkraft­ maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 10.

Aus der Druckschrift DE 197 41 861 A1 ist es bekannt, den Kühl­ wasserkreislauf in einer Brennkraftmaschine in zwei Teilkreise zu untergliedern, einen Kühlkreis mit einem Kühler und einen Heizkreis mit einem Heizungs-Wärmetauscher, wobei in Abhängig­ keit des aktuellen Betriebszustandes entweder der Kühlkreis oder der Heizkreis vom Kühlwasser durchströmt wird. Die Ent­ scheidung, ob der Kühlkreis oder der Heizkreis beaufschlagt wird, wird an Hand der Motortemperatur und der Motordrehzahl gefällt. In der durch eine niedrige Motortemperatur und durch niedrige Motordrehzahlen gekennzeichneten Warmlaufphase des Mo­ tors wird das gesamte Kühlwasser über die Heizleitung geführt, wohingegen bei ansteigender Temperatur und Drehzahl ein zuneh­ mend geringer werdender Anteil des Kühlwassers durch die Heiz­ leitung geführt und ein größerer Anteil durch den Kühlkreis ge­ leitet wird. Die Aufteilung des Kühlwassers auf den Kühlkreis und auf den Heizkreis erfolgt mittels eines Differenzdruckven­ tils.

Mit Hilfe der in der DE 197 41 861 A1 offenbarten Kühlvorrich­ tung ist es möglich, nach einem Kaltstart für eine rasche Er­ wärmung des Fahrzeuginnenraumes eine große Wärmemenge für die Innenraumheizung zur Verfügung zu stellen.

Weitere Kriterien bei der Konstruktion und der Betriebsweise von Kühlkreisläufen in Brennkraftmaschinen sind im Hinblick auf den Verbrauch optimierte Betriebsweisen des Kühlwasserkreislau­ fes; diese Kriterien werden jedoch bei der DE 197 41 861 A1 nicht behandelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, insbesondere während der Motorwarmlaufphase den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst.

Die neuartige Vorrichtung umfasst zumindest zwei unabhängig voneinander zu betreibende Pumpen, die jeweils unterschiedli­ chen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine zugeordnet wer­ den. Dadurch ist es beispielsweise möglich, in einem niedrigen Lastbereich zunächst nur mit einer Pumpe zu arbeiten und in ei­ nem höheren Lastbereich entweder auf eine zweite, leistungs­ stärkere Pumpe umzuschalten oder aber die zweite Pumpe zusätz­ lich zur ersten Pumpe zur Erhöhung der Förderleistung zu betreiben. Weitere Kriterien zur Unterscheidung unterschiedli­ cher Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine sind beispielswei­ se Motorbauteil- oder Kühlwassertemperatur.

Auf Grund der gezielten Zu- bzw. Abschaltung von Kühlwasserpum­ pen kann eine gezielte schnellere Aufheizung von Getriebeöl und Motoröl und dadurch bedingt eine Verringerung der Reibungsver­ luste in Motor und Getriebe erreicht werden, was sich in einem reduzierten Kraftstoffverbrauch niederschlägt. Insbesondere im niedrigen Lastbereich wird außerdem durch die Inbetriebnahme nur einer Pumpe Antriebsleistung eingespart, was zu einer zu­ sätzlichen Senkung des Kraftstoffverbrauches führt.

Eine schnellere Aufheizung von Getriebe- und Motoröl kann zweckmäßig dadurch erreicht werden, dass nach einem Kaltstart in der ersten Phase des Warmlaufens der Brennkraftmaschine zu­ nächst beide Pumpen außer Betrieb genommen sind, so dass eine Umwälzung des Kühlwassers im Kühlkreislauf unterbunden wird. Dadurch werden lokal im Zylinderkopf in kurzer Zeit vergleichs­ weise hohe Kühlwassertemperaturen erreicht, wobei dieses sich im Zylinderkopf befindende Kühlwasservolumen nach der Inbe­ triebnahme der ersten Kühlwasserpumpe im Kühlwasserkreislauf umgewälzt wird und dadurch zu einer schnelleren Erwärmung bei­ trägt, als dies mit einer von Beginn an durchgeführten voll­ ständigen Umwälzung des gesamten Kühlwasservolumens der Fall wäre. Die Zuschaltung der Kühlwasserpumpe erfolgt zweckmäßig bei Überschreitung eines festgesetzten Temperatur-Grenzwertes im Kühlwasserbauteil bzw. im Motor. Die Übertragung der im Kühlwasser gespeicherten Wärme erfolgt hierbei vorteilhaft über einen Öl-Wasser-Wärmetauscher an das Motor- bzw. Getriebeöl.

Vorteilhaft wird bei Erreichen eines höheren Temperatur- Grenzwertes, insbesondere bei Erreichen der Betriebstemperatur des Motor- bzw. Getriebeöls, das Kühlwasser über einen zu- und abschaltbaren Bypass geleitet, in welchem sich ein Kühler zur Ableitung überschüssiger Wärme im Kühlwasser befindet. Hier­ durch ist sichergestellt, dass der Motor thermisch in einem stationären Zustand betrieben werden kann.

Bei Erreichen eines weiteren Motor-Betriebsbereiches, welcher insbesondere durch eine höhere Motorlast gekennzeichnet ist, wird vorteilhaft die Hauptpumpe zugeschaltet und die Zusatzpum­ pe abgeschaltet, so dass sich die Pumpleistungen beider in Be­ trieb genommenen Kühlwasserpumpen addieren. Als Folge der er­ höhten Pumpleistung wird ein größerer Massenstrom im Kühlwas­ serkreislauf erzielt, was auch eine bessere Kühlleistung zur Folge hat.

Eine Zuschaltung der zweiten Kühlwasserpumpe kann sowohl im Kühlbetrieb, insbesondere während der Motorwarmlaufphase, als auch im Heizbetrieb durchgeführt werden. Im Heizbetrieb werden die Betriebsbereiche zweckmäßig in unterschiedliche Kühlwasser- Temperaturbereiche eingeteilt, wobei bei einer Überschreitung einer Grenztemperatur die zweite Pumpe zugeschaltet wird. Im Heizbetrieb kann es hierbei vorteilhaft sein, das gesamte umzu­ wälzende Kühlwasser in zwei Kreisläufen zu führen, von denen ein erster der Heizung des Fahrgastinnenraumes und der zweite der Kühlung des Kühlwassers zugeordnet ist.

Bei der ersten Pumpe, welche vorteilhaft sowohl im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb im unteren Last- und/oder Temperaturbe­ reich zugeschaltet wird, handelt es sich zweckmäßig um eine elektrisch angetriebene Pumpe, welche den Vorteil einer guten Steuerbarkeit aufweist und außerdem sich durch ein geringen Energieverbrauch auszeichnet. Die zweite, im höheren Last- und/oder Temperaturbereich zuzuschaltende Pumpe wird vorteil­ haft rein mechanisch angetrieben, insbesondere mittelbar oder unmittelbar über die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Um die Zuschaltbarkeit und Abschaltbarkeit dieser Pumpe zu ermögli­ chen, kann diese Pumpe ein- bzw. ausgekuppelt werden. Durch die Auskupplung der Pumpe im unteren Last- und/oder Temperaturbe­ reich kann mechanische Antriebsleistung und damit auch Treib­ stoff eingespart werden.

Bei dem neuartigen Verfahren zur Regelung des Kühlwasserkreis­ laufes in einer Brennkraftmaschine ist vorgesehen, in Abhängig­ keit des aktuellen Betriebsbereiches der Brennkraftmaschine ei­ ne unterschiedliche Anzahl an Pumpen für die Umwälzung des Kühlwassers zuzuschalten, wodurch ein bedarfsgerechter Einsatz an Pumpleistung, angepasst an den momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, erzielt wird. Das Verfahren umfasst insbesondere auch den Fall, dass in der ersten Phase unmittel­ bar nach einem Kaltstart sämtliche Pumpen des Kühlwasserkreis­ laufes außer Betrieb genommen sind.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu ent nehmen, in der ein Prinzipschaubild eines Kühlkreislaufes in einer Brennkraftmaschine dargestellt ist.

Der Kühlwasserkreislauf 1 für eine Brennkraftmaschine 2 umfasst einen Kühlkreis 3, in welchem das Kühlwasser abgekühlt wird, sowie einen Heizkreis 4, über den der Fahrgastinnenraum aufge­ heizt werden kann. Im Kühlkreis 3 sind ein Kühler 6, ein Öl- Wasser-Wärmetauscher 7 und eine mechanisch anzutreibende Kühl­ wasserpumpe 9 angeordnet. Über den Öl-Wasser-Wärmetauscher 7, der zweckmäßig über einen Thermostat regelbar ist, kann Wärme­ energie des Kühlwassers auf Motor- und/oder Getriebeöl des Fahrzeugs übertragen werden. Die mechanische Kühlwasserpumpe 9 wird mittelbar oder unmittelbar von der Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine angetrieben, die Pumpe 9 kann bedarfsweise zu- und abgeschaltet werden. Im Heizkreis 4 befindet sich eine elektrische Zusatzpumpe 8, eine Drossel 10 sowie ein Heizungs- Wärmetauscher 11, über den der Fahrgastinnenraum zu beheizen ist.

Weiterhin ist ein als Drehschieber 5 ausgebildetes Schaltele­ ment im Kreuzungspunkt von Kühlkreis 3 und Heizkreis 4 angeord­ net. Über den Drehschieber 5 können die Kühlwassermassenströme durch den Kühlkreis 3 und/oder den Heizkreis 4 eingestellt wer­ den.

Der Kühler 6 im Kühlkreis 3 befindet sich in einem Bypass, wel­ cher über eine entsprechende Einstellung des Drehschiebers 5 zu- und abgeschaltet werden kann. Bei Abschaltung dieses Bypass strömt das Kühlwasser durch einen Kühlkreislauf 12, der durch den Öl-Wasser-Wärmetauscher 7 und die Kühlwasserpumpe 9 gebil­ det ist. Gegebenenfalls kann auch der Öl-Wasser-Wärmetauscher 7 über einen Bypass 13 überbrückt werden.

Weiterhin ist ein Bypass 3a zwischen Zylinderkopf der Brenn­ kraftmaschine 2 und dem Drehschieber 5 vorgesehen, welcher sich parallel zur elektrischen Zusatzpumpe 8 erstreckt und über den gegebenenfalls die Zusatzpumpe 8 umgangen werden kann.

Die Komponenten des Kühlwasserkreislaufes 1 werden über ein nicht dargestelltes Steuergerät eingestellt. So ist es insbe­ sondere möglich, die Position des Drehschiebers 5, die Leis­ tungsaufnahme der elektrischen Zusatzpumpe 8 sowie den Schalt­ zustand der mechanischen Kühlwasserpumpe 9 zu beeinflussen. Ge­ gebenenfalls kann auch der Zustand der Drossel 10 eingestellt werden.

Im Kühlbetrieb arbeitet die Vorrichtung wie folgt:
Nach einem Kaltstart werden während der Motorwarmlaufphase ver­ schiedene Betriebsbereiche der Brennkraftmaschine durchlaufen, während denen der Drehschieber 5 und die Pumpen 8 und 9 ver­ schiedene Schaltzustände bzw. Betriebszustände einnehmen.

Unmittelbar nach der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine 2 bleiben beide Pumpen 8 und 9 solange außer Betrieb, bis das Mo­ torkühlmittel und/oder das Bauteil einen Temperatur-Grenzwert überschreitet. Unterhalb dieses Temperatur-Grenzwertes findet keine Umwälzung des Kühlwassers statt, wodurch das stehende, sich im Motorblock bzw. im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 2 befindende Kühlwasser durch die thermische Energie der Brenn­ kraftmaschine schnell aufgewärmt wird.

Überschreitet die Kühlwassertemperatur und/oder eine Bauteil­ temperatur im Motor den zugeordneten ersten Temperatur- Grenzwert, so wird zunächst die elektrische Zusatzpumpe 8 in Betrieb genommen und der Drehschieber 5 in eine Position ver­ stellt, in der lediglich eine durchgehende Verbindung zwischen dem die elektrische Zusatzpumpe 8 enthaltenden Leitungsab­ schnitt und dem Öl-Wasser-Wärmetauscher 7 hergestellt ist. Die Umwälzung des Kühlwassers über den Wärmetauscher 7 unter Umge­ hung des im Bypass angeordneten Kühlers 6 bewirkt eine schnel­ lere Aufheizung des Motoröls bzw. des Getriebeöls und damit ei­ ne Verringerung der Reibungsverluste von Motor und Getriebe. Da in dieser Phase die mechanische Kühlwasserpumpe 9 noch nicht in Betrieb genommen ist, kann zudem mechanische Antriebsleistung und folglich auch Kraftstoff eingespart werden.

Bei Erreichung eines zweiten, höheren Temperatur-Grenzwertes, welcher insbesondere mit der Betriebstemperatur des Motoröls bzw. des Getriebeöls übereinstimmt, wird der Drehschieber 5 in eine den Leitungsabschnitt mit der elektrischen Zusatzpumpe 8 mit dem Kühler 6 verbindende Position verstellt. Der Bypass mit dem Kühler 6 ist in dieser Phase zugeschaltet, die überschüssi­ ge Wärme im Kühlwasser wird hauptsächlich über den leistungsfä­ higen Kühler 6 abgeleitet.

Bei zunehmender Motorlast können Betriebszustände auftreten, in denen die Förderleistung der elektrischen Zusatzpumpe 8 nicht mehr ausreicht, ein stationäres Temperaturniveau im Kühlwasser­ kreislauf aufrecht zu erhalten. In diesen Betriebsbereichen wird die mechanische Kühlwasserpumpe 9 zugeschaltet, die zweck­ mäßig mit einer höheren Pumpleistung ausgelegt ist als die elektrische Zusatzpumpe 8. In dieser Phase werden zweckmäßig beide Pumpen gleichzeitig betrieben; es kann gegebenenfalls aber auch zweckmäßig sein, lediglich die Pumpe mit höherer Pump­ leistung zu betreiben und die Pumpe mit geringerer Pumpleistung abzuschalten bzw. weitere Zwischenphasen vorzusehen, in denen zunächst nur die Pumpe mit höherer Leistung betrieben wird und anschließend beide Pumpen gemeinsam in Betrieb genommen werden. Es kann auch vorteilhaft sein, nur eine oder auch mehrere Pum­ pen mit variabel einstellbarer Pumpleistung vorzusehen.

Im Heizbetrieb wird die Vorrichtung wie folgt betrieben:
Unterhalb einer Kühlwasser-Grenztemperatur wird zunächst nur die elektrische Zusatzpumpe 8 in Betrieb genommen und der Dreh­ schieber 5 in eine Position verstellt, in der der Kühlkreis 3 blockiert ist und lediglich der Heizkreis 4 vom Kühlwasser durchströmt werden kann. In dieser Ausführung wird zweckmäßig über die elektrische Zusatzpumpe 8 nur Kühlwasser aus dem Zy­ linderkopf der Brennkraftmaschine umgewälzt, in welchem das Kühlwasser in kurzer Zeit auf eine höhere Temperatur erwärmt werden kann. In dieser Phase wird das Kurbelgehäuse der Brenn­ kraftmaschine zweckmäßig zunächst nicht mit Kühlwasser durch­ strömt. Nach Erreichen der festgelegten Kühlwasser- und/oder Bauteil-Grenztemperatur im Heizbetrieb muss die mechanische Pumpe nicht unbedingt zugeschaltet werden; vielmehr kann auch die elektrische Zusatzpumpe die Kühlung des Motors übernehmen. Erst nach erneutem Erreichen der kritischen Temperatur muss die Hauptpumpe zugeschaltet werden.

Andererseits kann nach Erreichen der festgelegten Kühlwasser- und/oder Bauteil-Grenztemperatur auch im Heizbetrieb die mecha­ nische Kühlwasserpumpe 9 zugeschaltet werden, wobei der Dreh­ schieber 5 in eine Position verstellt wird, in der ein Teil­ strom des Kühlwassers über den Leitungsabschnitt bzw. Bypass 3a im Kühlkreis 12 umgewälzt wird, wobei in Abhängigkeit des aktu­ ellen Betriebszustandes das Kühlwasser entweder unmittelbar dem Wärmetauscher 7 zugeführt oder über den Bypass mit dem Kühler 6 geleitet wird. Während des Heizbetriebes kann das Kühlwasser sowohl durch den Kühlkreislauf 3 als auch durch den Heizkreis 4 geleitet werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Regelung des Kühlwasserkreislaufes (1) in einer Brennkraftmaschine (2), mit einer das Kühlwasser beauf­ schlagenden Pumpeneinheit, einem Kühlkreis (3) mit einem Kühler (6), einem Schaltelement zur Einstellung des Kühlwasserstromes durch den Kühlkreis (3) und einer Steuereinheit zur betriebs- und zustandsabhängigen Einstellung der Komponenten der Vorrich­ tung, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit zwei unabhängig voneinander betätigbare Pumpen (8, 9) umfasst, wobei eine erste Pumpe (8) in einem ers­ ten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (2) zuschaltbar ist und die zweite Pumpe (9) in einem zweiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine (2) zuschaltbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Kühlkreis (3) ein Heizkreis (4) mit einem Heizungs-Wärmetauscher (11) vorgesehen ist und der Anteil des durch den Kühlkreis (3) und/oder den Heizkreis (4) strömenden Kühlwassers über das Schaltelement einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb des Motors die Betriebsbereiche als ver­ schiedene Motorlastbereiche unterhalb und oberhalb einer vorzu­ gebenden Grenzlast gekennzeichnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur in einem unteren Temperaturbereich beide Pumpen (8, 9) zunächst außer Betrieb genommen sind und bei Überschreitung einer Grenz­ temperatur die erste Pumpe (8) in Betrieb genommen wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (6) im Kühlkreislauf (1) in einem zu- und ab­ schaltbaren Bypass liegt und das Kühlwasser oberhalb einer Grenztemperatur durch den Kühler (6) geleitet wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb des Motors die Betriebsbereiche als ver­ schiedene Kühlwasser-Temperaturbereiche unterhalb und oberhalb einer vorzugebenden Grenztemperatur gekennzeichnet sind und die erste Pumpe (8) im unteren Kühlwasser-Temperaturbereich und die zweite Pumpe (9) im oberen Kühlwasser-Temperaturbereich zu­ schaltbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizbetrieb das Schaltelement im oberen Kühlwasser- Temperaturbereich in der Weise geschaltet ist, dass zumindest ein Teil des Kühlwassers durch den Kühlkreis (4) geleitet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (8) als elektrisch antreibbar und eine Pumpe (9) mechanisch über die Kurbelwelle antreibbar ausgebildet ist, wobei die mechanische antreibbare Pumpe (9) ein- und auskuppel­ bar ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Pumpe (8) und die zweite Pumpe (9) eine unter­ schiedliche Pumpleistung aufweisen.

10. Verfahren zur Regelung des Kühlwasserkreislaufes (1) in ei­ ner Brennkraftmaschine (2), insbesondere Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in Ab­ hängigkeit des aktuellen Betriebsbereiches der Brennkraftma­ schine (2) eine unterschiedliche Anzahl an Pumpen (8, 9) zur Um­ wälzung des Kühlwassers zugeschaltet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Last- und/oder Temperaturbereich eine erste Pumpe (8) und im oberen Last- und/oder Temperaturbereich eine zweite Pumpe (9) zugeschaltet wird.