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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels einer Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einer Temperaturregelvorrichtung 6, welche zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine und einen Fahrzeugkühler 8 regelt und einer bevorzugt von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbaren Absperrvorrichtung 6bv, welche den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf temporär unterbindet und/oder variiert. Dabei stehen insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konvenzionellen Dehnstoff-Kühlerthermostaten 6 im Mittelpunkt des Interesses.
Darüber hinaus sind auch zahlreiche Anwendungen mit beliebigen Kühlmitteltemperaturregelvorrichtungen, insbesondere mit frei ansteuerbaren Kühlerthermostaten 6, betroffen.
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Es ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels und des Motoröls und damit auch der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur in der Teillast sind probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen zu realisieren.
Zukünftige Strategien zur Erzielung des vollen Kraftstoffeinsparpotenzials mittels derartiger Maßnahmen beinhalten insbesondere Möglichkeiten, den Öffnungszeitpunkt des Thermostaten mittels der Motorsteuerung frei zu wählen und den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor im Warmlauf in weiten Bereichen zu variieren. Hierfür sind verschiedene Lösungen verfügbar, von der magnetischen Schaltkupplung zur Abschaltung der Hauptmotorkühlmittelpumpe über pumpeninterne Kurzschlussventile bis hin zur voll variablen el. Hauptmotorkühlmittelpumpe als Ersatz für die riemengetriebene Hauptmotorkühlmittelpumpe. Stellvertretend für die Ansätze zur temporären Unterbrechung der Motorkühlmitteldurchströmung, bei der das Pumpenlaufrad der Hauptmotorkühlmittelpumpe temporär nicht angetrieben wird und auf diesem Weg im gesamten Kühlsystem „stehendes Kühlwasser“ realisiert werden soll, zeigt die
DE 103 32 947 A1 ein relativ aufwändiges Kühlsystem, bei dem das in Verbindung mit weiteren Maßnahmen realisiert ist. Zur Unterbrechung der Motorkühlmitteldurchströmung wird hier wahlweise eine Kupplung zum Abkuppeln des Pumpenlaufrades vom mechanischen Antrieb durch die Brennkraftmaschine verwendet oder es wird alternativ gleich ein elektrischer und somit per se abschaltbarer Antrieb des Pumpenlaufrads verwendet. In der Aufwärmphase wird damit ein Betriebszustand eingestellt, in dem in der Brennkraftmaschine keine Umwälzung des Kühlmittels stattfindet. Eine el. Pumpe im Heizkreislauf kann relativ zu diesem Betriebszustand bei Bedarf eine Umwälzung des Kühlmittels durch die Brennkraftmaschine einstellen, welche vom Austritt der Brennkraftmaschine zum Heizungswärmetauscher und ggfs. zu weiteren Wärmetauschern führt, und welche dann über das stehende Pumpenlaufrad der Hauptmotorkühlmittelpumpe zu einer Steuereinheit (einem Umschaltventil) führt, welche dann eine Aufteilung des vom Austritt der Hauptmotorkühlmittelpumpe kommenden Kühlmittelstroms auf einen Zulaufanschluss des Zylinderkopfes und/oder einen Zulaufanschluss des Kurbelgehäuses der Brennkraftmaschine vornimmt. Nachteilig ist hier nicht nur der relativ hohe Bauteil- und Bauraumaufwand für die abschaltbare Pumpe und die Peripherie sondern auch, dass die Hauptmotorkühlmittelpumpe bei stehendem Pumpenlaufrad durchströmbar bleibt und somit anfällig für eine Durchströmung durch natürliche Konvektion bzw. Thermosyphoneffekte ist. Dadurch wird dem Motorinnern aufgrund der unvermeidbaren Temperaturgradienten bei vermeintlich „stehendem Kühlwasser“ ungewollt Wärme entzogen. Die
DE 102 10 303 A1 zeigt ein ähnliches System, ebenfalls mit einer abschaltbaren Kühlmittelpumpe, die aus den obengenannten Gründen ebenfalls anfällig für natürliche Konvektion bzw. Thermosyphoneffekte ist, und ebenfalls mit der Option, die Motorkühlung temporär nur über eine el. Pumpe im Heizkreislauf vorzunehmen. Dabei führt der Heizkreislauf bei abgeschalteter Hauptmotorkühlmittelpumpe nicht wie in der
DE 103 32 947 A1 über die Hauptmotorkühlmittelpumpe, sondern über den (Kühler-)Bypasszweig, in welchem mit einem „Verteiler“ (einem Umschaltventil) eine Umkehrung der Durchströmungsrichtung herbeigeführt wird. Die Nachteile sind im Wesentlichen die gleichen wie bei der
DE 103 32 947 A1 . Hinzu kommt, dass die Strömungsumkehr im Bypass gleichzeitig eine Strömungsumkehr im gesamten Zylinderkopf und indirekt auch im Zylinderblock herbeiführt, was für die Motorentlüftung problematisch werden kann.
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Allen bekannten Lösungen zur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor ist gemeinsam, dass erhebliche Kosten für die erforderlichen Zusatzkomponenten anfallen. Neben den Maßnahmen zur Regelung des Durchflusses durch den Motor ist bei den meisten bekannten Optimierungsstrategien insbesondere der Austausch des heute üblichen Thermostaten mit Regelung des Kühlerdurchflusses mittels Dehnstoffelement durch ein von der Motorsteuerung frei ansteuerbares Ventil vorgesehen. Für die volle Ausnutzung des Potenzials sind in diesem Zusammenhang insbesondere relativ aufwändige Ventile vorgesehen, bei denen der Durchfluss durch den Kühler von der Motorsteuerung vorgegeben und über einen Schrittmotor feinfühlig eingestellt wird. Verschiedene Drehpositionen des Mehrwegeventils stellen dann z.B. bevorzugte Positionen für eine optimale Heißkühlung, eine maximale Kühlwirkung oder eine maximale Kabinenheizleistung ein. Die Kosten für ein derartiges Ventil, um mehrere Zu- und Abflüsse u.a. für den Kühler-, den Bypass- und den Heizkreislauf zu schalten bzw. stufenlos zu variieren, sind nicht unerheblich. Hinzu kommt ein weiterer Zusatzaufwand, wenn ein hinreichendes Fail-Safe-Verhalten für alle möglichen sommerlichen und winterlichen Betriebszustände realisiert werden soll.
Die Kosten sind daher bereits erheblich, selbst wenn unter Verzicht auf das volle Kraftstoffeinsparpotential darauf verzichtet wird, gleichzeitig mit der Einführung des Ventils auch eine Zusatzmaßnahme zur Variation der Kühlmittelpumpendrehzahl bzw. der Kühlmittelpumpenförderleistung vorzusehen.
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Nicht zuletzt vor dem Hintergrund der Kosten und der Betriebssicherheit hat sich bisher ein wesentlich einfacheres System zur Heißkühlung am Markt durchgesetzt, bei dem ein Dehnstoff-Thermostat mit einem el. beheizbaren Dehnstoffelement den wahlweisen Betrieb bei zwei verschieden Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Dabei wird ein Thermostat mit Dehnstoffelement eingesetzt, welcher beispielsweise ab 100°C zwangsläufig beginnt zu öffnen, bei el. Bestromung des Heizelements wird dieser Öffnungszeitpunkt dann mittels der el. Wärmezufuhr zum Dehnstoffelement auf z.B. 80°C verschoben. Die Kraftstoffverbrauchsvorteile sind hier zwar nicht voll ausgeschöpft, u.a. weil die Wirksamkeit des Systems auf Fahrsituationen mit Kühlmitteltemperaturen oberhalb ca. 80°C begrenzt ist, die Mehrkosten sind aber auch wesentlich geringer. Darüber hinaus ist sowohl jegliche Diskussion bezüglich der Robustheit des Systems und deren Fail-Safe-Charakteristik als auch die Frage nach der Verfügbarkeit serienreifer Bauteile angesichts der bereits vorliegenden Serienerfahrung mit dieser Art von el. beheizten Thermostaten weitgehend gegenstandslos.
Dennoch arbeiten die Systemlieferanten für KFZ-Kühlsysteme an den eingangs beschriebenen Varianten zur vollen Ausschöpfung des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen. Der Erfolg dieser neuen Lösungswege ist jedoch einerseits in erheblichem Maße an die Entwicklung der Emissionsvorschriften und der Kraftstoffpreise gekoppelt, andererseits auch sehr stark an die Bereitstellung wesentlich preiswerterer Hardware als bisher verfügbar. Umgekehrt erschwert gerade der ausbleibende Großserienanlauf fallende Hardwarepreise für das el. Mehrwegeventil als Thermostatersatz und gegebenenfalls die schalt- bzw. regelbare Hauptmotorkühlmittelpumpe.
Auch wenn inzwischen ein namhafter Kfz-Hersteller für eine ganze Motorfamilie den hohen Aufwand für ein Kühlsystem mit elektrisch angetriebener Hauptmotorkühlmittelpumpe betreibt, um möglichst viel Kraftstoff zu sparen, so verhindern doch die hohen Kosten vielerorts die Einführung eines derartigen Systems.
Nicht zuletzt deshalb sind in jüngster Zeit preiswertere Systeme, wie z.B. der el. Thermostat in Drei-Teller-Ausführung in die Serienanwendung gelangt. Bei derartigen Systemen verschließt einer der drei Teller - der sogenannte Schließteller- den kleinen Kühlmittelkreislauf in der frühen Warmlaufphase und öffnet mit zunehmender Motorerwärmung. Mittels el. Bestromung des Dehnstoffelementes bei hoher thermischer Belastung des Motors wird bei Bedarf der Bypasszweig weiter geöffnet bzw. bei sehr hohem Kühlbedarf und weit geöffnetem Kühlerkreislauf wieder geschlossen. Die el. Bestromung hilft insbesondere, früheren Problemen des Dreitellerthermostaten beim schnellen Umschalten von Teillast auf Volllast speziell bei kaltem Motor zu begegnen. Die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit bei kaltem Kühlwasser lässt den Einsatz des Dreitellerthermostaten jedoch nach wie vor nicht bei jedem Motor ohne konstruktive Zusatzmaßnahmen zu.
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Auch Systeme mit frei ansteuerbarem Bypassventil, z.B. als stufenlos angesteuerter Drehschieber, sind bekannt, die diese Problem nicht aufweisen, allerdings bezüglich der Kosten wieder ungünstiger liegen.
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Allen bekannten Systemen einschließlich des Dreitellerthermostaten ist gemeinsam, dass spezielle Eingriffe im Heizkreislauf nötig sind, um zu verhindern, dass sich die im Heizkreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Um innerhalb des Motors im Warmlauf möglichst kleine wasserseitige Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, sowie um die wärmeaktiven Massen und Wärmeverluste des Heizkreislaufs zu minimieren, sind bei den bisher bekannten Wärmemanagement-Systemen separate Vorrichtungen vorgesehen, die es erlauben den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig im Warmlauf zu unterbinden oder zumindest stark zu drosseln. Speziell bei luftseitiger Regelung der Kabinenheizung fallen damit i.a. zusätzliche Kosten für Kühlmittelventile oder sonstige Bauteile zur Unterbindung/Drosselung des Heizungsvolumenstroms an.
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Als Verbesserungsmöglichkeit für den Heizungswärmetauscher sind aus der WO 2008 / 125 089 A2 Hochleistungsheizungswärmetauscher bekannt, die für die Variation des Kühlmittelmassenstroms durch den Heizungswärmetauscher neue Möglichkeiten eröffnen, um die Heizleistung zu erhöhen und/oder den Kraftstoffverbrauch abzusenken bzw. bei Bedarf mit besonders kleinen Kühlmittelmassenströmen im Heizkreislauf zu arbeiten.
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In der
DE 10 2004 058 864 A1 wird in diesem Umfeld u.a. beschrieben, wie mittels kostengünstiger Zweiwegeventile die gleiche Kraftstoffverbraucheinsparung erzielt werden kann, wie mit wesentlich teureren Wettbewerbsprodukten. In dieser Anmeldung und zahlreichen ähnlichen Anmeldungen des gleichnamigen Erfinders werden die Kosten insbesondere dadurch gesenkt, dass die Funktionalität „Stehendes Kühlmittel im Motor“ mittels einfacher Zweiwegeventile dargestellt wird und dass zusätzliche Synergien, insbesondere mit besonderen Erfordernissen der Heizung und/oder der Ölkühler und/oder EGR-Kühler, genutzt werden.
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In der
EP 1 657 446 A2 ist im gleichen Umfeld eine schaltbare Hauptmotorkühlmittelpumpe beschrieben, die die Funktionalität „Stehendes Kühlmittel im Motor“ ebenfalls auf sehr elegante Weise liefert, indem ein Absperrzylinder axial über das Pumpenlaufrad geschoben wird und das Ausströmen von Kühlwasser erhöhten Drucks über die Pumpenspirale in den Motor unterbindet und/oder temporär drosselt.
Auch bei dieser Anwendung mit temporär stehendem oder gedrosseltem Kühlmittel, bestimmt die Motorsteuerung
20 i.a. in Abhängigkeit von der Motorlast und der Motortemperatur, ob und in welchem Ausmaß die Kühlmittel- und Motorbauteiltemperatur mittels stehenden Wassers oder gedrosseltem Kühlmitteldurchsatz angehoben wird.
Hauptmotorkühlmittelpumpen gemäß der
EP 1 657 446 A2 bieten im Vergleich zu Zweiwegeschaltventilen insbesondere Vorteile bezüglich des Bauraums und der Einbauflexibilität bei bereits bestehenden Grundmotorstrukturen. Bei guter Dichtwirkung ist zusätzlich ein gewisser Vorteil dadurch gegeben, dass zusätzlich die wärmeaktive Masse des Pumpengehäuses und des Pumpenlaufrades bei stehendem Kühlmittel vom Motorkühlwassermantel abgekoppelt ist.
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Hauptnachteil dieser Art von Kühlmittelabschaltvorrichtung sind im Gegenzug die höheren Kosten und die Tatsache, dass zur optimalen Ausgestaltung eines Kühlsystems für Kühl- und Kabinenheizzwecke in der Regel eine ganze Reihe von teuren Zusatzkomponenten erforderlich sind, die sicherstellen, dass die jeweiligen Wärmetauscher und der Wassermantel des Motorzylinderblocks und des Motorzylinderkopfes für die jeweiligen Belange der kraftstoffverbrauchsorientierten Heißkühlung ohne Heizung und optimale Heizleistung bei dennoch geringem Kraftstoffverbrauch im geeigneten Maße durchströmt werden.
Analoges gilt für ähnliche bekannte Anwendungen, bei denen ein separates Ventil oder eine Klappe den Kühlmittelübertritt von der Hauptmotorkühlmittelpumpe in den Wassermantel des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks unterbindet. Eine Kühlmittelabsperr-Option zwischen Pumpenaustritt und Motoreintritt ist z.B. in der
DE 100 43 618 A1 gezeigt, wobei die Einstellmöglichkeiten für den Kühlmittelmassenstrom nicht befriedigend sind. Insbesondere sind beim teilweisen bzw. lediglich kurzzeitigen/getakteten öffnen des Ventils sofort Bereiche des Kühlsystems tangiert, in welchen im Warmlauf zunächst noch keine Durchströmung erwünscht ist
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Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Kühl- und Heizsystem mit einer Kühlmittelabschaltvorrichtung durch einen Zusatznutzen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Kabinenheizleistung kosteneffizienter zu machen und insbesondere, bei Verwendung einer Kühlmittelabschaltvorrichtung zwischen Hauptmotorkühlmittelpumpe und Kühlwassermantel der Brennkraftmaschine und insbesondere mit den beschriebenen Vorzügen der Hauptmotorkühlmittelpumpe gemäß
EP 1 657 446 A2 , so auszugestalten und/oder anzusteuern, dass die Kostennachteile aufgrund des spezifischen Einbauortes zwischen Pumpenlaufrad und dem Kühlwassereintritt in den Wassermantel der Brennkraftmaschine und/oder der Pumpenbauweise gemäß
EP 1 657 446 A2 zumindest teilweise über diesen Zusatznutzen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und/oder der Kabinenheizleistung kompensiert werden.
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Diese Aufgabe wird mit dem Kühl- und Heizsystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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In ganz wesentlichem Maße tragen hierbei die von der Motorsteuerung 20 angesteuerte el. Zusatzpumpe 2 und die Verzweigung des Rücklaufs der el. Zusatzpumpe 2 in die Kühlmittelzweige 4am und/oder 4ak an eine Stelle stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und die Verzweigung 4at an eine Stelle stromauf der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und stromauf des Pumpeneintritts der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 dazu bei, einen Zusatznutzen zu generieren.
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Diese Anordnung ermöglicht es insbesondere, dass es genügt, die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und die el. Zusatzpumpe 2 von der Motorsteuerung 20 ansteuerbar zu machen, um in Verbindung mit ansonsten passiven Bauteilen/Ventilen fast alle vorteilhaften Funktionalitäten bezüglich optimalen Kraftstoffverbrauchs und optimaler Heizleistung darzustellen.
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So genügt im einfachsten Fall z.B. ein Rückschlagventil 6rv, das eine Rückströmung in einem Bypasszweig 6b unterbindet, um einen Kühl- und Heizkreislauf realisierbar zu machen, der mit besonders kleinem Kühlmitteldurchfluss und/oder besonders kleinen Heizungsschlauchquerschnitten arbeitet. Dies ist - bei entsprechend ausgelegtem Heizungswärmetauscher 4 - vielfach von besonderem Interesse, um die thermische Spreizung am Motor zwecks Verbesserung der Kabinenheizleistung zu erhöhen. Im einfachsten Fall wird damit jedoch nur das Ziel verfolgt, die Schlauchquerschnitte und damit die Wärmeverluste und die wärmeaktive Masse des Heizkreislaufs zu minimieren, was bei passender el. Pumpenleistung bei Heizleistungsentnahme von Vorteil ist, aber auch im MVEGA, insbesondere wenn ohne Heizleistungsentnahme nach anfänglich stehendem Wasser - bei noch geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv - ein Temperaturausgleich innerhalb des Motors angestrebt wird, z.B. um eine lokale Überhitzung zu vermeiden.
Bei einer derartigen Vorgehensweise kann die Motorsteuerung 20 bei hohem Kühlbedarf durch ein einfaches Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zumindest bei geschlossenem oder teilgeöffnetem Kühlerzweig 6a sicherstellen, dass das Rückschlagventil 6bv durch das damit einhergehenden Druckgefälle der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 öffnet und der Bypasszweig 6b durchströmt wird. Eine derartige Vorgehensweise mit relativ großem Bypassvolumenstrom im Bypasszweig 6b sorgt einerseits bei Motorvolllast mit geschlossenem oder teilgeöffnetem Kühlerthermostaten 6 für einen sicheren Motorbetrieb.
Andererseits sorgt die el. Zusatzpumpe 2 dafür, dass im Heizungszweig 4a der Durchfluss nicht auf für den Heizbetrieb unzulässige Werte abfällt, weil ein sehr großer Bypassvolumenstrom oder ein sehr kleiner Druckverlust im Kühlerzweig 6a das am Heizungswärmetauscher 4 verfügbare Druckpotential zu sehr absenkt.
Eine ganz besonders vorteilhafte Situation mit vielseitiger Nutzung ergibt sich, wenn zusätzlich in den Zweig 4am ein Motorölkühler 40 integriert ist:
- Bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und Heizleistungsdefizit wird das Kühlmittel - in Verbindung mit einem Hochleistungswärmetauscher und durch eine geeignete Einstellung des Kühlmitteldurchflusses - am Heizungswärmetauscher 4 weit unter die Motoröltemperatur abgesenkt und nutzt somit das Motoröl als Wärmequelle.
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Bei hohem Kühlbedarf, d.h. bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv, wird der Motorölkühler 40 dann in umgekehrter Richtung durchströmt und die Reihenschaltung von Motorölkühler 40 und Heizungswärmetauscher 4 wird aufgehoben. Als Endresultat stellt sich unter dem Druckpotential der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 ein hoher Kühlmitteldurchfluss durch den Motorölkühler 40 ein, so wie er bei Heißlandtests auch benötigt wird.
Um die im Heizungsbetrieb am Ölkühler 40 gewonnene Wärme zu maximieren, ist es bei entsprechend effizientem Heizungswärmetauscher 4 ganz besonders hilfreich, wenn der Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher 4 bei Heizbetrieb deutlich kleiner ist als dies bei maximaler Motorkühlung notwendig wäre. Deshalb ist die Strömungsumkehr im Motorölkühler 40, verbunden mit der Kühlmitteldurchflusserhöhung so sehr von Interesse. Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn durch die Strömungsumkehr im Motorölkühler 40 bei öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv der Kühlmitteldurchsatz durch den Motorölkühler 40 - zumindest bei mittleren und hohen Motordrehzahlen - um mehr als 100% zunimmt. Dies ist nicht zuletzt auch deshalb wichtig, weil bei den hohen Öltemperaturen von 140-150°C im Heißlandtest bei zu geringem Kühlmitteldurchsatz eine Kühlmittelüberhitzungsgefahr besteht.
Mit anderen Worten, es ist mit einer derartigen Ausgestaltung ohne Mehraufwand möglich, den Ölkühler 40 wahlweise heizleistungsoptimal mit geringem Kühlmitteldurchfluss und in der Anordnung stromab des Heizungswärmetauschers 4oder kühlungsoptimal mit hohem Kühlmitteldurchfluss zu betreiben. Zusätzlich eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, um mit Heizungswärmetauschern 4 höheren Druckverlustes und kleineren Kühlmitteldurchflusses zu arbeiten.
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Ein ganz besonderer Zusatznutzen ergibt sich, wenn das Rückschlagventil 6rv gleichzeitig eine Rückströmung im Bypasszweig 6b und im Kühlerzweig 6a in Richtung Motor unterbindet. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn mittels einer Kühlmittelentnahmestelle zwischen der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv gearbeitet wird, von welcher Kühlmittel über einen Wärmetauscher und temporär ohne Durchströmung des Wassermantels des Motorzylinderblocks und/oder des Motorzylinderkopfes zum Pumpeneintritt der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 gefördert wird. In den später noch gezeigten Konfigurationen kann auf diesem Weg insbesondere ein EGR-Kühler auch bei stehendem Wasser im Motor gekühlt werden. Im einfachsten Fall wird hierbei ein Getriebeölkühler 60 und/oder ein Motorölkühler 40 und/oder ein Niedertemperatur-Kühlmittel-Luft-Kühler zur Absenkung der EGR-Temperatur in diesen Zweig eingebunden werden.
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In einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird (werden) hierbei nur der Getriebeölkühler 60 oder der Getriebeölkühler 60 und der EGR-Kühler 50 von der Entnahmestelle aus versorgt und der Motorölkühler 40 bleibt in der weiter oben beschriebenen Vorgehensweise in den Kreislauf der el. Zusatzpumpe 2 eingebunden. Dies liefert ein Abkopplung des i.a. mit der geringsten Priorität von Motorkühlwasser zu erwärmenden Getriebeölkühlers 60 im Warmlauf und kommt sowohl dem Kraftstoffverbrauch in der frühen Warmlaufphase als auch der Kabinenheizleistung bei Heizleistungsdefizit zu Gute.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird hierbei nur der EGR-Kühler 50 von der Entnahmestelle aus versorgt, und das Kühlmittel strömt rückwärts durch den Fahrzeugkühler 8, so das bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eine Niedertemperatur-EGR-Kühlung erreicht wird. Bisher bekannte Systeme benötigen hierzu bisher eine separate el. Niedertemperatur-EGR-Kühlmittelpumpe 2z.
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Einen analogen Zusatznutzen, wie bei der obigen Variante, bei der ein Rückschlagventil 6rv, welches gleichzeitig eine Rückströmung im Bypasszweig 6b und im Kühlerzweig 6a in Richtung Motor unterbindet, zum Einsatz kommt, liefert ein von der Motorsteuerung 20 frei ansteuerbares Ventil 6ev, welches die Leitung 4at abschaltet, solange die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv geschlossen ist. Ein derartiges Ventil hat den besonderen Vorteil, dass es nicht nur einen kleineren Kanalquerschnitt absperren muss als ein Rückschlagventil für die Zweige 6a und 6b und deshalb neu entwickelt werden muss, sondern bereits als Serienteil verfügbar ist. Im Vergleich zu einer separaten el. Niedertemperatur-EGR-Pumpe liefert das Ventil 6ev in Verbindung mit der Entnahmestelle für den Niedertemperatur-EGR-Zweig eine erhebliche Kostenersparnis.
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Um beim Einleiten der Wärmeabgabe am Fahrzeugkühler 8 mittels Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und gegebenenfalls mittels Öffnen der Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6 Thermoschockeffekte am Motor sicher zu vermeiden, ist eine gewisse Sorgfalt bei der Gesamtsystemauslegung geboten. Dabei ist es insbesondere sehr hilfreich, wenn der Kühlmittelmassenstrom im EGR-Zweig nur ein Viertel oder weniger des Motorkühlmitteldurchflusses durch die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Mischung warmen Kühlmittels vom Motor und kalten Kühlmittels vom EGR-Zweig auch in der Übergangsphase zur Wärmeabgabe am Fahrzeugkühler 8 und/oder bei einem, z.B. vollastbedingten, Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv bei noch geschlossener Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6 immer zu einer Mischungskühlmitteltemperatur stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv führt, die für die Motorstruktur mit Sicherheit kein Thermoschockproblem liefert. Größere Kühlmitteltemperatursprünge als 30K durch Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv sind ohne entsprechende Dauerhaltbartests bei manchen Motoren mit gewissen Unsicherheiten bezüglich der Motorlebensdauer behaftet.
Gegebenfalls kann mittels entsprechenden Ventilen im EGR-Zweig sichergestellt werden, dass die Temperatursprünge in vorgegebenen Grenzen gehalten werden. Besonders einfach und effizient sind hier thermostatische Ventile mit Leckage, die bevorzugt stromab des EGR-Kühlers und stromauf des Fahrzeugkühlers 8 angeordnet werden, und bei kaltem Kühlmittel wenig Kühlmittel im EGR-Zweig strömen lassen und bei warmem Kühlmittel mehr.
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Auch wenn zur feinmaschigen Absicherung des Motors gegen Thermoschock neben einem relativ großen Rückschlagventil 6rv mit Querschnitten passend zum Kühlerschlauch bzw. einem kleineren elektrisch von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Kühlmittelschaltventil 6ev im Heizungsrücklauf zusätzlich ein Schlauchthermostatventil stromab des EGR-Kühlers eingesetzt wird, ergibt sich im Vergleich zu bekannten Serienlösungen mit einer separaten el. Niedertemperatur-EGR-Kühlmittelpumpe nicht nur eine signifikante Kostenersparnis, sondern es wird auch die el. Antriebsleistung für eine permanent laufende el. Zusatzpumpe eingespart.
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Diese Aussage gilt für Niedertemperatur-EGR-Systeme mit Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zwischen Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und Motorkühlwassermantel ganz allgemein, also auch ohne die besonders vorteilhafte Einbindung einer el. Zusatzpumpe 2 stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zur optimalen Temperaturregelung für die Motorstruktur und/oder Kabinenheizzwecke.
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Zur weiteren Vertiefung des erfindungsgemäßen Gedankenguts werden nachfolgend einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen anhand von exemplarischen Kühl- und Heizkreisläufen beschrieben.
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Hierzu zeigt 1 einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf, bei dem neben der von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eine ebenfalls von der Motorsteuerung 20 angesteuerte el. Zusatzpumpe 2 stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv einen motorinternen Kühlmittelstrom einstellen kann, der in Verbindung mit dem Rückschlagventil 6rv bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv in der Motorteillast sowohl für einen optimierten Warmlauf ohne Heizleistungsentnahme oder für verbesserte Kabinenheizleistung bei hohem Heizbedarf sorgt. Gleichzeitig ist hierbei ein besonders kostengünstiger Niedertemperatur-EGR-Kreislauf realisiert.
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Bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv wird das Kühlmittel gemäß 1 von der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert und strömt über das Rückschlagventil 6rv in den Bypasszweig 6b und von dort zur Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6, die aus Kostengründen bevorzugt aus einem konventionellen Dehnstoffthermostaten 6 besteht. Während des Warmlaufs verschließt der kühlerseitige Teller des Dehnstoffthermostaten 6 den Kühlerkreislauf während der bypassseitige Teller geöffnet ist, so dass der Bypasszweig 6b durchströmt wird.
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Die Entlüftungsleitung 9a führt zum Ausgleichsbehälter 9. Ein Durchströmen des Ausgleichsbehälters 9 ist durch den Anschluss stromab des Fahrzeugkühlers 8 mittels des Kühlerthermostaten 6 und des Rückschlagventils 9rv unterbunden, solange der Kühlerthermostat 6 geschlossen ist.
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Hier ist es insbesondere vorteilhaft, dieses Rückschlagventil 9rv mit einer geringen Federvorspannkraft zu beaufschlagen, so dass sich ein Öffnungsdruckdifferenz ergibt, die besonders bevorzugt in der Größenordnung von 1-2 mbar liegt. Damit wird das Rückschlagventil besonders dicht und weniger abhängig von der Einbaulage bzw. Schwerkraft.
Ebenfalls am Motoraustritt wird auch das Kühlwasser für den Heizungszweig 4a entnommen. Der Heizungswärmetauscher 4 ist bei dieser Einstellung in herkömmlicher Weise durchströmt, gegebenenfalls unterstützt von der el. Zusatzpumpe 2. Wie bei vielen Motoren üblich, wird am Motorzylinderblock oder gegebenenfalls auch am Motorzylinderkopf ein Teilstrom für den Motorölkühler 40 entnommen, der nicht den ganzen Motor durchströmt, dieser strömt dann durch den Zweig 4am zur Mischungsstelle mit dem Heizungszweig 4a. Von hier aus gelangt das gemischte Kühlmittel aus dem Motorölkühler und der Heizung zum Thermostaten 6 und bestimmt gemeinsam mit dem Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b die Mischtemperatur am Dehnstoffelement, welches ab einer Mischtemperatur von beispielsweise 90°C den Kühlerzweig 6a öffnet.
Zwischen der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv wird bei offener wie bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv Kühlmittel für den EGR-Kühler 50 entnommen. Bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 strömt das EGR-Kühlmittel rückwärts durch den Fahrzeugkühler 8 zum Bypasszweig 6b und von dort über den offenen Bypassteller zum Dehnstoffelement. Dies ist bei offener wie bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv der Fall solange der Thermostat 6 geschlossen ist. Dabei begrenzt die Dimensionierung der Kühlmitteldruckverluste im EGR-Zweig den Kühlmitteldurchsatz im Vergleich zum bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv im Motor vorliegenden, relativ hohen, Kühlmitteldurchsatz so, dass mittels der Motorsteuerung 20 sichergestellt werden kann, dass sich die Kühlmittelmischtemperatur stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv unabhängig von der Stellung des Kühlerthermostaten 6 durch ein plötzliches Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv nur vergleichsweise wenig ändert, auf jeden Fall aber nicht mehr als 30K.
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Besonders vorteilhaft ist es hier, zur Vereinfachung der Abstimmung, ein Thermostatventil 50tv stromab des EGR-Kühlers 50 einzusetzen welches bei geringen Kühlmitteltemperaturen nur vergleichsweise wenig Kühlmittel durch den EGR-Kühler strömen lässt und mit zunehmender Kühlmitteltemperatur mehr und mehr. Das liefert nicht nur eine gute Absicherung gegen Thermoschock, sondern passt auch die EGR-Kühlerleistung an.
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Zur Optimierung des Motorwarmlaufs in Richtung beste Emissionen und besten Kraftstoffverbrauch in der Motorteillast ohne Kabinenheizleistungsentnahme, insbesondere im gesetzlichen Abgastest, bietet die Konfiguration gemäß 1 eine ganze Reihe von hilfreichen Optionen.
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Bevorzugt wird dabei zunächst die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv geschlossen und die el. Zusatzpumpe 2 bleibt ausgeschaltet. Damit liegt im besonders reibleistungs- und kraftstoffverbrauchsrelevanten Bereich des Motors, d.h. innerhalb des Kühlwassermantels abgesehen von etwas Leckage bzw. natürlicher Konvektion weitgehend ruhendes Kühlmittel vor, verbunden mit entsprechenden Vorteilen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs.
Im weiteren Verlauf des Warmlaufs wird das Kühlmittel im Zylinderkopf i.a. eine Temperatur erreichen, die ein Einschalten der el. Zusatzpumpe 2 erforderlich macht und/oder es ist deshalb besonders vorteilhaft die el. Zusatzpumpe einzuschalten, um den Zylinderkopf zu kühlen und auch um Wärme aus dem heißen Zylinderkopf in die besonders reibleistungsrelevanten Bereiche des Zylinderblocks bzw. Zylinderlaufbahn zu transportieren.
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Neben der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ist das Rückschlagventil 6rv in 1 ganz maßgeblich dafür, dass dies ohne Durchmischung mit der kalten Seite stromauf der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 erfolgen kann. Insbesondere ist es aber auch extrem hilfreich, dass es die el. Zusatzpumpe 2 im Heizungszweig ermöglicht, den Querschnitt des Bypasszweigs 6b besonders groß zu machen, so dass die potentiellen Temperatursprünge beim Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv minimal werden. Konvenzionelle Kühl- und Heizsysteme ohne el. Zusatzpumpe 2 erfordern hier i.a. einen nicht zu vernachlässigenden Mindestdruckverlust im Bypasszweig 6b, um ein hinreichendes Kühlmitteldruckpotential für den Heizungswärmetauscher 4 bereitzustellen.
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Im Vergleich zu bekannten Systemen hat das System gemäß 1 den zusätzlichen Vorteil, dass der besonders hohe Bypassvolumenstrom im Bypasszweig 6b gleichbedeutend ist mit einer hohen Kühlreserve für das schnelle Umschalten vom Heißbetrieb in der Motorteillast auf abgesenkte Bauteiltemperaturen bei Volllast. Die besonders hohe Kühlreserve beruht dabei u.a. auf der spontanen Erhöhung des kühlmittelseitigen Wärmeübergangskoeffizienten bei Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses. Diese ist für Systeme mit und ohne Niedertemperatur-ERG-Kühlung relevant und auch mit und ohne teilgeöffneten Kühlerthermostaten 6. Ein einfaches Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv liefert gemäß 1 eine spontane Umschaltung von Heißkühlung auf volle Kühlleistung.
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In 1 wird das Kühlmittel bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv von der el. Zusatzpumpe 2 über den Motorölkühler 40 in den Wassermantel stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eingespeist. Das hat den besonderen Vorteil, dass beim ersten Aktivieren der el. Zusatzpumpe 2 und entsprechend reduzierter el. Pumpenleistung, das trotz ausgeschalteter Kabinenheizung zunächst noch kalte Kühlmittel zumindest annähernd mit der Öltemperatur in den Motor strömt. In dieser Frühphase des Einschaltens wirkt dabei der Ölkühler als Wärmequelle für das kalte Wasser aus dem Heizungswärmetauscher 4, zugunsten der Zylinderlaufbahntemperatur.
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Ganz grundsätzlich ermöglicht es die Anordnung gemäß 1, in Verbindung mit einer variablen el. Leistung der el. Zusatzpumpe 2, mittels der Motorsteuerung 20 eine Priorisierung der Wärmeströme vom Kühlmittel ins Öl und umgekehrt vorzunehmen.
So ist es insbesondere i.a. vorteilhaft, sobald die Durchwärmung des Heizungszweigs 4a im Fall ohne Heizleistungsentnahme abgeschlossen ist, den Kühlmitteldurchfluss im Heizungszweig 4a zu erhöhen. Dies hilft in der Regel in der Motorteillast dabei, den Zeitpunkt bis zum Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zu verzögern. Dabei spielt nicht nur die Verbesserung des Wärmeübergangs und der Temperaturhomogenisierung im Motor eine maßgebliche Rolle, sondern in der Regel auch der verbesserte Wärmeübergang zwischen Kühlmittel und Motoröl. Speziell im gesetzlichen Abgastest (MVEGA) ist in diesem Zusammenhang das Kühlmittel bei den meisten Motoren wärmer als das Motoröl, so dass dem Wärmeübergang im Ölkühler 40 eine große Rolle dabei zu kommt, die Motorabwärme durch ein Geschlossenhalten der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv möglichst lange zugunsten der Erhöhung der Bauteil- und der Öltemperatur zu verteilen und nicht über den Fahrzeugkühler 8 abzugeben.
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Insbesondere ist es mit dieser Vorgehensweise möglich, auch mit einem ganz konventionellen Kühlerthermostaten in der Motorteillast erhöhte Kühlmitteltemperaturen weit oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 110°C anstelle der 90°C Thermostatöffnungstemperatur zu fahren. Dies ist zum einen dann der Fall, wenn im Warmlauf durch Schließen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv das Dehnstoffelement einfach nicht mit einer hinreichenden Menge warmen Kühlmittels angeströmt wird.
Zum anderen kann aber auch durch ein getaktetes oder teilweises Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv auch ein getaktetes Öffnen und wieder Schließen des Kühlerthermostaten 6 induziert werden. In Verbindung mit der el. Zusatzpumpe 2 ist somit eine Erhöhung der motorinternen Kühlmittel-, Bauteil- und Öltemperatur mit und ohne Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 von der Motorsteuerung 20 aktivierbar und deaktivierbar, was eine erhebliche Verbesserung der Kosteneffizienz bedeutet.
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Einen ganz besonderen Vorteil des Systems gemäß 1 stellt es dar, dass es bei entsprechender Gestaltung der el. Zusatzpumpe 2 auch bei ausgeschalteter el. Zusatzpumpe 2 noch Heizleistung liefern kann. Hieran ist die Verbindungsleitung 4at maßgeblich beteiligt, die es ermöglicht, mittels Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv die Kabinenheizung jederzeit zu aktivieren. Im Gegensatz zu bisher bekannten Systemen mit autarker Heizung und temporär deaktiviertem Motorkühlmitteldurchsatz seitens der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 liefert dies eine Reihe von ganz erheblichen Vorteilen.
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So wird u.a. die Sicherheit gegen Heizungsausfall im Winter erhöht, es wird etwas Kraftstoff durch die temporäre Einsparung an Lichtmaschinenlast für den el. Pumpenstrom eingespart und es reduzieren sich die Lebensdaueranforderungen der el. Zusatzpumpe.
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Ein weiterer Vorteil des Systems gemäß 1 besteht darin, dass es auch bei Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 noch Kraftstoffersparnisse liefern kann, u.a. über die reduzierte wärmeaktive Masse, den reduzierten kühlmittelseitigen Wärmeübergang an der Zylinderlaufbahn bei reduziertem Kühlmitteldurchsatz, die zielgerichtete Priorisierung des Kühlmittels durch Abkühlung des Kühlmittels am Heizungswärmetauscher 4 unter die Motoröltemperatur und Rückerwärmung des Kühlmittels am Ölkühler 40 und gegebenenfalls durch die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur über die Thermostatöffnungstemperatur hinaus.
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Die spezifische Einbindung des Motorölkühlers 40 mit den Anschlüssen 4am und 4at in 1 stellt darüber hinaus sicher, dass auch bei sehr hohem Kühlbedarf bezüglich des Motoröls die best möglichen Reserven verfügbar sind: In diesem Fall öffnet die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und der Ölkühler 40 wird nun in umgekehrter Richtung durchströmt, d.h. so wie bei konventionellen Serienkühlsystemen üblich. Der Kühlmittelstrom durch den Motorölkühler 40 ist nun nicht nur relativ hoch, sondern er liefert auch eine hohe Kühlwirkung.
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Ein ganz wesentlicher Zusatznutzen des Systems gemäß 1 ergibt sich auch dadurch, dass es im Vergleich zu bekannten Systemen eine erheblich verbesserte Kabinenheizleistung liefert. Dies gilt angesichts der reduzierten wärmeaktiven Massen im Warmlauf mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ganz grundsätzlich und insbesondere im Leerlauf, wo bekannte Heizsysteme ohne el. Zusatzpumpe und insbesondere ohne dem Heizungswärmtauscher 4 nachgeschalteten Motorölkühler 40 deutliche Nachteile aufweisen. Dieser Vorteil wird dadurch noch erhöht, dass es mittels der el. Zusatzpumpe 2 im Warmlauf mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv möglich ist, den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig sehr präzise auf eng begrenzte Werte einzustellen, so wie sie zur Optimierung der Kabinenheizleistung unter Berücksichtigung der Wärmetauscherwirkungsgradkennlinien des Heizungswärmetauschers 4 einerseits und des Motorölkühlers 40 andererseits erforderlich sind. Die Erfindung sieht hier zur weiteren Optimierung insbesondere vor, dass als Heizungswärmetauscher 4 ein Hochleistungswärmetauscher gemäß der WO 2008 / 125 089 A2 verbaut wird.
Dabei ist es besonders vorteilhaft wenn die Möglichkeit der präzisen Einstellung des Kühlmitteldurchflusses im Heizungszweig unabhängig von der Motordrehzahl dafür genutzt wird, dass die Kühlmitteltemperatur am Eintritt in den Motorölkühler 40 deutlich unterhalb der Motoröltemperatur liegt und somit das Motoröl indirekt als Wärmequelle zur Erhöhung der Kabinenheizleistung genutzt wird.
Diese Vorgehensweise ist in gewissen Grenzen bereits mit heutigen Serienheizungswärmetauschern 4 und Serienmotorölkühlern 40 realisierbar. Ganz besonders vorteilhaft ist es aber, wenn Heizungswärmetauscher 4 mit vergrößertem Bauraum und/oder erhöhter Wärmetauschermatrixdichte zum Einsatz kommen und hier insbesondere auch zur Mehrfach-Kreuzgegenstrombauweise übergegangen wird. Entsprechende Hochleistungsheizungswärmetauscher 4 sind z.B. in der WO 2008 / 125 089 A2 beschrieben.
In einem weiterführenden Schritt ist es hierbei zur Maximierung der Kabinenheizleistung und auch zur Verbesserung des Gesamtsystems ohne Heizleistungsentnahme sehr hilfreich, wenn auch bei den Motorölkühlern 40 auf eine Gegenstrombauweise und bevorzugt eine Mehrfach-Kreuzgegenstrombauweise übergegangen wird. Eine bevorzugte analoge Übertragung basierend auf den Erkenntnissen in der WO 2008 / 125 089 A2 ergibt sich bei gleicher Vorgehensweise, wenn das Motoröl an die Stelle der Luft tritt und das Kühlwasser die Umlenkungen zur Bildung des Mehrfachkreuzgegenstroms durchläuft.
Der gegebenenfalls erhöhte kühlwasserseitige Druckverlust ist hierbei angesichts der Motorölkühlereinbindung gemäß 1 i.a. kein Problem, da bei dieser Einbauart und geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv der Olkühlerdurchfluss ohnehin so gedrosselt werden muss, dass der Hauptkühlmittelstrom durch den Motor strömt und nicht durch den Ölkühler.
Diese Aussage gilt ganz besonders deshalb, weil die el. Zusatzpumpe 2 in jeder Betriebssituation mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv einen definierten Durchfluss liefert und da dieser Durchfluss - zumindest bei Heizleistungsdefizit - bevorzugt ohnehin in Richtung wesentlich kleinerer Kühlmitteldurchflüsse durch den Heizungszweig 4a erfolgt als dies heute serientypisch ist.
Dass bei Verwendung eines Hochleistungsheizungswärmetauschers 4, insbesondere gemäß WO 2008 / 125 089 A2, nicht nur die Kühlmitteldurchflüsse zumindest im Fahrbetrieb bevorzugt deutlich kleiner sind als heute üblich ermöglicht es, in einem weiterführenden Schritt, auch die Kühlmittelleitung im Heizungszweig 4a mit wesentlich kleineren Strömungsquerschnitten zu versehen. Dies kommt wiederum der wärmeaktiven Masse und den Oberflächenwärmeverlusten zugute. Beides ist vorteilhaft für den Warmlauf mit und ohne Heizung.
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Im Vergleich zu 1 zeigt 2 ein ähnliches System unter Entfall des Olkühlers 40. Da das Ventil 50tv bei entsprechend sorgfältiger Auslegung des Systems zumeist entfallen kann, ist es in 2 nicht mehr enthalten.
Auch hier sind das Rückschlagventil 6rv, die el. Zusatzpumpe 2 und die Leitungen 4am und 4at ganz maßgeblich daran beteiligt, dass auch hier fast alle oben beschriebenen Betriebsarten mittels der Motorsteuerung 20 eingestellt werden können. Ohne den Motorölkühler vereinfacht sich hierbei die optimale Betriebsstrategie beim Übergang von weitgehend ruhendem Kühlmittel etwas. In den meisten Fällen ist es bezüglich des MVEGA am günstigsten dafür zu sorgen, dass der Heizungszweig 4a möglichst spät aktiviert wird und dabei möglichst schnell eine homogene Temperatur erreicht.
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Das Rückschlagventil 6rv in 1 und 2 muss prinzipbedingt relativ groß sein, da es die Kühlerleitung absperrt. Ein derartiges Ventil nimmt somit relativ viel Platz ein und muss insbesondere auch den Ansprüchen bei hohem Kühlmitteldurchsatz gerecht werden. Die Entwicklung eines derartigen Rückschlagventils ist aber kein grundsätzliches Problem.
Schneller umsetzbar und etwas risikoärmer für eine schnelle Serienanwendung ist es, wenn anstelle des Rückschlagventils 6rv in 1 und 2 ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Ventil 6ev dessen Hauptaufgabe übernimmt, indem es den Strömungszweig 4at in der in 3 gezeigten Einbauposition absperrt.
Auch in dieser Konfiguration kann die Motorsteuerung 20 sicherstellen, dass es nicht zu einer unbeabsichtigten Durchmischung von kaltem Kühlmittel stromauf und warmem Kühlmittel stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv kommt, sobald die el. Zusatzpumpe 2 in Betrieb ist.
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Auch wenn die Systeme nach 1-3 nur in Richtung Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission getrimmt werden sollen und die heizungsspezifischen Vorteile bei einer spezifischen Fahrzeuganwendung unwichtig sind oder der Heizungswärmetauscher 4 gar nicht vorhanden ist, z.B. weil die Heizung auf anderem Wege völlig separat erfolgt, ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise nach 1-3 noch kosteneffektiv.
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Das erfindungsgemäße Gedankengut ist nicht auf Systeme mit Niedertemperatur-EGR-Kreislauf begrenzt. So zeigt 4 beispielhaft ein System ohne Niedertemperatur-EGR-Kreislauf. Auch hier hat die Motorsteuerung 20 die Freiheitsgrade, wie sie für einen kraftstoffverbrauchsoptimalen Motorbetrieb mit und/oder Heizleistungsentnahme am Heizungswärmetauscher 4 besonders vorteilhaft sind. Der EGR-Kühler-Zweig wird in dieser Anwendung einfach an den Pumpeneintritt der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 geführt. Dies bewirkt, dass der EGR-Kühler 50 einerseits im Warmlauf erst sich selbst und den internen EGR-Kurzschlusszweig erwärmt. Die EGR-Kühlung ist hierbei zunächst im Warmlauf reduziert, was bei manchen Motoren im frühen Warmlauf durchaus nicht unerwünscht ist. Die Rückleitung des EGR-Zweigs stromab des Kühlerthermostaten stellt sicher, dass die Motorsteuerung 20 mittels der Vorrichtungen 6bv, 6ev und gegebenenfalls 2 bestimmt, ab wann und in welchem Ausmaß Wärme über den Fahrzeugkühler 8 an die Umgebung abgegeben wird. Wenn eine etwas frühere Wärmeabgabe des EGR-Zweigs am Fahrzeugkühler 8 gewünscht ist, so erfolgt die Rückleitung des EGR-Kühlers gegebenenfalls in die Leitung 4at.
Gelegentliches Takten von 6bv stellt bei beiden Varianten im Verlauf des Warmlaufs sicher, dass der EGR-Zweig nicht überhitzt.
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Besonders kostengünstig wird das System nach 4. wenn anstelle des von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Ventils 6ev ein Rückschlagventil 6rv in den Bypasszweig 6b integriert wird und ein Rückströmen durch den Bypasszweig 6b bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und eingeschalteter el. Zusatzpumpe 2 unterbindet. Ein solches System ist in 5 exemplarisch gezeigt. Dieses System bietet bei vergleichsweise geringen Kosten fast alle Freiheitsgrade, die für ein kraftstoffverbrauchsoptimales Wärmemanagement mit und ohne Kabinenheizleistungsentnahme und für die Maximierung des Kabinenheizpotenzials wünschenswert sind. Dies gilt ganz besonders, wenn auch der Heizungswärmetauscher und die Heizungskühlmittelleitungen in Richtung Hochleistungsheizsystem optimiert sind.
Der Entfall des Niedertemperatur-EGR-Kreislaufs kann hierbei in vielen Fällen dadurch zumindest teilweise kompensiert werden, dass zusätzlich ein Getriebeölkühler 60 oder ein anderer Kühler vergleichsweise geringer Temperatur in den EGR-Zweig eingebunden wird. Ein Beispiel hierzu zeigt 6, wo ein Getriebeölkühler 60 vorgesehen ist, der im MVEGA normalerweise relativ kaltes Öl aufweist und somit hilft die EGR-Temperatur niedrig zu halten ohne den Kühlerzweig 6a zu öffnen.
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Ganz analog kann in 6 anstelle des Getriebeölkühlers 60 auch ein Motorölkühler oder gleichzeitig ein Motorölkühler 40 und ein Getriebeölkühler 60 vorteilhaft in den EGR-Zweig eingebunden werden oder auch ohne EGR-Kühler in analoger Weise vom Motor thermisch abgekoppelt werden. Dies kostet zwar etwas an Kraftstoffeinsparpotential doch in Verbindung mit der Einfachheit und den geringen Kosten ist dies durchaus in vielen Fällen kosteneffektiv und zielführend.
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Besonders bei Motoren, die keinen EGR-Kühler im Kühlkreislauf aufweisen, kann ein Getriebeölkühler in der gemäß 6 gezeigten Vorgehensweise kostengünstig in der frühen Warmlaufphase vom motorinternen Kühlsystem abgekoppelt werden.
Dies ist insbesondere zur Verbesserung der Kabinenheizleistung hilfreich, je nach Öffnungstemperatur des Kühlerthermostaten 6 bzw. bei frei von der Motorsteuerung ansteuerbarer Kühlmitteltemperaturregelvorrichtung 6, aber auch zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.
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Auch bei Systemen ohne EGR-Kühler und ohne Motorölkühler und ohne Getriebeölkühler bietet die erfindungsgemäße Vorgehensweise gemäß 5 und 6 noch ausreichend Vorteile um kosteneffizient zu sein. Ein entsprechendes Beispiel ist in 7 gezeigt.
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Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch durchaus mit bereits bekannten Niedertemperatur-EGR-Kühlsystemen kompatibel, bei denen eine separate el. Niedertemperatur-EGR-Kühlmittelpumpe 2z Kühlmittel eines EGR-Zweigs mit EGR-Kühler 50 bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 rückwärts durch den Fahrzeugkühler 8 fördert. Ein entsprechendes Beispiel ist in 8 gezeigt, wo wiederum ein besonders kosteneffektives Rückschlagventil 6rv im Bypasszweig 6b sicherstellt, dass keine unerwünschte Rückwärtsdurchströmung des Bypasszweigs 6b erfolgt, so dass die Motorsteuerung 20 insbesondere die Hoheit darüber hat, ab wann wirklich eine Durchmischung von Kühlmittel stromauf und stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv erfolgt bzw. ab wann eine Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 eingestellt wird.
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Wie bereits mehrfach beschrieben, spielt hier das relativ einfache und durch die Anordnung im Bypasszweig 6b auch vergleichsweise kleine Rückschlagventil 6rv eine maßgebliche Rolle. Solange Temperaturregelvorrichtungen 6 zum Einsatz kommen, die den Bypasszweig 6b bei voll geöffnetem Kühlerzweig 4a schließen, kann hierbei der Druckverlust im Bypasszweig 6b angesichts der spezifischen Einbindung der el. Zusatzpumpe 2 sehr klein und der Durchfluss sehr hoch eingestellt werden: Wenn der Kühlerzweig 4a völlig offen ist, ist der Bypasszweig 6b dann durch die Temperaturregelvorrichtung 6, insbesondere durch den Bypassteller des Kühlerthermostaten 6, geschlossen, zugunsten einer maximalen Wirkung des Fahrzeugkühlers 8.
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Ist diese Funktionalität „Bypasszweig 6b schließen“ des Kühlmitteltemperaturreglers 6 nicht vorhanden und somit der Bypasszweig 6b bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv stets geöffnet, so ist es besonders vorteilhaft, die Strömungsquerschnitte im Bypasszweig 6b etwas geringer zu gestalten und/oder den Druckverlust im Kühlerzweig 6a abzusenken. Bei manchen Anwendungen, insbesondere ohne Niedertemperaur-EGR-Kühler gemäß 1 - 4 kann es dann insbesondere auch vorteilhaft sein, das Rückschlagventil 6rv mit einer geringen Federkraft zu beaufschlagen, so dass es erst bei Motordrehzahlen 20% oberhalb der Leerlaufdrehzahl öffnet.
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9 - 17 tragen der Tatsache Rechnung, dass es bei vielen Motoren besonders vorteilhaft ist, nach anfänglich stehendem Kühlwasser zunächst lediglich für Kühlung der besonders heißen Zonen zu sorgen, welche sich in der Regel im Kühlwassermantel des Zylinderkopfes befinden und dies insbesondere mit einer minimalen wärmeaktiven Masse im Bereich der Kühlmittelleitungen zwischen Kühlmittelentnahmestelle und Rückleitungszweig 4am zum Wassermantel des Motorzylinderblocks und/oder des Motorzylinderkopfes einschließlich der el. Zusatzpumpe 2 zu bewerkstelligen.
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In 9 wird diesem Sachverhalt dadurch Rechnung getragen, dass der in den 1-8 mit 4am bezeichnete Zweig nun in die Zweige 4ab und 4ak aufgeteilt wird. Der Zweig 4ab führt über den Motorölkühler 40 in den Motorzylinderblock und der Zweig 4ak führt unter Umgehung des Motorölkühlers in den Motorzylinderkopf 1K oder wahlweise auch in den Motorzylinderblock 1B.
Die Einleitung in den Motorzylinderkopf ist bevorzugt, weil sie gewisse Vorteile dadurch liefert, dass an der besonders reibleistungsrelevanten Zylinderlaufbahn in der Regel etwas höhere Temperaturen resultieren. Die Einleitung in den Motorblock hat den Vorteil, dass bei vielen Motoren kein zusätzlicher Kühlmittelanschluss am Grundmotor erforderlich ist, sondern ein einfaches T-Stück genügt.
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In 9 nimmt das von der Motorsteuerung 20 angesteuerte Umschaltventil 40ev die oben beschriebene Priorisierung vor, d.h. zunächst wird der Ölkühler 40 umgangen und später im Warmlauf zugeschaltet, damit die Zeitdauer bis zum ersten Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv möglichst lange dauert. Die Zuschaltung des Ölkühlers kann hierbei als einfache Umschaltung vorgenommen werden oder es erfolgt eine Aktivierung beider Zweige 4ak und 4ab, so dass insbesondere der Zweig 4ak sicherstellt, dass eine angesichts der Einströmung über den Zweig 4ab weniger angeströmte Zone auch bei kleinem Gesamtkühlmitteldurchsatz noch ausreichend gekühlt wird und/oder als Wärmequelle für Heizzwecke genutzt wird.
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Bei Maximierung der Kabinenheizleistung wird in einer weiteren Verfeinerung bevorzugt zunächst der Ölkühler für einige Minuten umgangen und dann aber viel früher eingebunden als beim Betrieb ohne Heizleistungsentnahme. Die Einbindung des Ölkühlers 40 erfolgt hierbei bevorzugt so, dass so lange gewartet wird, bis die Kühlmitteltemperatur im Heizungsrücklauf kleiner ist als die Motoröltemperatur am Eintritt in den Motorölkühler 40. Auf diese Weise wird das Motoröl und indirekt auch die Motorstruktur als Wärmequelle zur Heizleistungssteigerung herangezogen und insbesondere werden die effektive wärmeaktive Gesamtmasse und die Oberflächenwärmeverluste an die Umgebungsluft reduziert.
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Auch hier ist insbesondere ein für relativ geringe Kühlmitteldurchflüsse ausgelegter Hochleistungswärmetauscher das Mittel der Wahl um für Kabinenheizzwecke möglichst viel Wärme vom Motoröl ins Kühlmittel zu übertragen.
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Um die Kosten etwas zu senken ist in 10 im Vergleich zu 9 anstelle eines Umschaltventils 40ev ein einfaches Schaltventil 40ev vorgesehen. Dabei ist es zur Optimierung der Kabinenheizleistung besonders vorteilhaft, wenn die Dimensionierung der Druckverluste in den Zweigen 4ab und 4ak derart erfolgt, dass sich bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv und geöffnetem Ventil 40ev und eingeschalteter el. Zusatzpumpe 2 im Zweig 4ab ein Kühlmitteldurchfluss einstellt, der mehr als doppelt so groß ist wie der Kühlmitteldurchfluss im Zweig 4ak, welcher nicht durch den Motorölkühler 40 führt. Dadurch wird insbesondere sichergestellt, dass bei vielen Anwendungen bzw. Betriebssituationen eine für die Kabinenheizleistung zwingend benötigte Wärmemenge vom Motoröl ins Kühlmittel übertragen wird.
Unter Verzicht auf etwas Kraftstoffersparnis und/oder etwas Kabinenheizleistung ist ein System nach 10 auch dann immer noch sehr attraktiv und vor allem sehr kosteneffektiv, wenn das Ventil 40ev komplett entfällt.
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Für Systeme mit variabler el. Zusatzpumpe 2 zeigt 11 eine weitere Möglichkeit, die Kosten zu senken: Anstelle des direkt von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Ventils 40ev in 9 und 10 übernimmt die Variation des Förderdrucks bzw. der el. Leistung der el. Zusatzpumpe 2 in Verbindung mit dem Überdruckventil 40pv die bedarfsgerechte Aktivierung des Motorölkühlers 40. Das Überdruckventil 40pv hat hierbei bevorzugt einen Druck zwischen 10 und 40 mbar, so dass es bei geöffneter Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv von der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 zumindest im Fahrbetrieb überdrückt wird und somit auch bei Ausfall der el. Zusatzpumpe 2 noch Heizleistung verfügbar ist.
In 11 sorgt ein erster Druckbereich der el. Zusatzpumpe 2 bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv dafür, dass nur der Zweig 4ak durchströmt wird. Das Rückschlagventil 40rv sorgt dafür, dass es nicht zu unerwünschter Rückströmung unter Umgehung des Heizungszweigs 4a und/oder der Motordurchströmung kommt, bei entsprechend kleiner Dimensionierung der Leitung 4ak kann es in manchen Anwendungen aber auch entfallen.
Wird eine Einbindung des Ölkühlers 40 bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv gewünscht, so stellt die Motorsteuerung 20 eine erhöhte Fördermenge der el. Zusatzpumpe 2 ein und aktiviert durch Überschreiten des Öffnungsdrucks des Überdruckventils 40pv den Motorölkühler 40.
Diese Vorgehensweise funktioniert grundsätzlich auch mit heutigen Serienheizungswärmetauschern 4. Speziell bei Hochleistungswärmetauschern mit geringerem Durchfluss ist es aber besonders gut möglich mit Überdruckventilen 40pv zu arbeiten und die Pumpenantriebsleistung beizubehalten oder gar abzusenken. Dieser Sachverhalt resultiert aus dem bekannten Zusammenhang, dass sich die Pumpenleistung multiplikativ aus dem Volumenstrom und der Druckdifferenz ergibt.
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Die Weiterentwicklung in 12 zeigt eine Verlegung der el. Zusatzpumpe 2 an eine Position stromauf des Heizungswärmetauschers 4. Heraus resultiert ein noch geringerer Öffnungsdruck des Überdruckventils 40pv und die Möglichkeit, die wärmeaktive Masse im Zweig 4ak noch weiter herabzusetzen.
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In 13 ist gezeigt, dass das Rückschlagventil 40rv auch entfallen kann. Speziell bei sehr kleinen Strömungsquerschnitten im Zweig 4ak ist das durchaus vertretbar.
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Speziell in 13 kommt hinzu, dass es hierdurch nicht zu einer unerwünschten Umgehung des Heizungswärmetauschers 4 kommt.
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14 zeigt, dass das System natürlich auch ohne Niedertemperatur-EGR-Pumpe 2z vorteilhaft ist und insbesondere, dass auch hier ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Ventil 6ev die Aufgaben des Rückschlagventils 6rv in z.B. 13 übernehmen kann.
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15 zeigt eine besonders einfache und kosteneffektive Variante mit Getriebeölkühler 60 in Reihe zum EGR-Kühler 50, so dass fast die gleiche Wirkung erzielbar ist, wie mit einem Niedertemperatur-EGR-Kühlerzweig. In dieser Konfiguration genügt wieder ein einfaches und relativ kleines und auch besonders kostengünstiges Rückschlagventil 6rv. Zusätzlich ist im Zweig 4ak ein optionales Durchflussbegrenzungsventil 40sv integriert, so dass bei Erhöhung der el. Pumpenantriebsleistung die Hauptkühlmittelmenge durch den Motorölkühler 40 strömt.
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16 zeigt als kostengünstige Alternative ein einfaches Thermostatventil 40tv zur bereits beschriebenen Priorisierung des Ölkühlers 40. Hierbei ist naturgemäß im Vorfeld der Thermostatauswahl in der Regel eine Entscheidung notwendig, ob die Auslegung in Richtung beste Heizleistung erfolgt oder in Richtung besten Kraftstoffverbrauch ohne Heizleistungsentnahme. Die Variante mit maximalem Heizpotential benötigt hierbei in der Regel ein früheres Öffnen des Ölkühlerzweigs 4ab. Bei manchen Motoren ist es bezüglich der Heizleistung und auch der Motorkühlung am besten, wenn das Thermostatventil 40tv den Zweig 4ak bei geöffnetem Bypasszweig 6b schließt.
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17 zeigt ein erfindungsgemäßes System mit besonders hoher Flexibilität der Ansteuerung der Zweige 40ab und 40ak. Durch die Anordnung eines von der Motorsteuerung 20 angesteuerten Umschaltventils 40ev stromauf des Heizungswärmetauschers 4 lassen sich insbesondere die wärmeaktiven Massen im Zweig 4ak als auch die Druckverluste minimieren. Auch die Anpassung an einen heizleistungsoptimalen Betrieb bzw. einen verbrauchsoptimalen Betrieb ohne Heizung ist hiermit vereinfacht.
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Die bisherigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Gedankengut zeigen, dass speziell die von der Motorsteuerung 20 ansteuerbare el. Zusatzpumpe 2 mit und ohne Einbindung des Heizungswärmetauschers 4 so viele Vorteile liefert, dass die mit ihr verbundenen Bauteilkosten durchaus gerechtfertigt sind.
Anhand der erfindungsgemäßen Systemdarstellungen gemäß 1-17 ist aber bei genauem Hinsehen durchaus auch zu erkennen, dass hierin vereinfachte Systeme enthalten sind, die auch ohne el. Zusatzpumpe eine ganze Reihe von Vorteilen liefern.
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Vor diesem Hintergrund betrifft diese Anmeldung auch Kühl- und Heizungskreisläufe für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine 1, die mittels durch eine Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird mit einer Temperaturregelvorrichtung 6, welche zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine und den Fahrzeugkühler 8 regelt und einer von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbaren Absperrvorrichtung 6bv, welche den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf temporär unterbindet und/oder variiert, insbesondere eine Vorrichtung zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konvenzionellen Dehnstoff-Kühlerthermostaten 6, die dadurch gekennzeichnet sind, dass
- • die Absperrvorrichtung 6bv zwischen der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und dem Wassermantel des Motorzylinderblocks 1B und/oder Motorzylinderkopfes 1K angeordnet ist und
- • den Motorkühlmitteldurchsatz der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 temporär in Richtung von Werten nahe Null reduziert und
- • dass keine el. Zusatzpumpe 2 im Heizungszweig 4a zum Einsatz kommt und
- • dass das Kühlsystem eine Kühlmittelentnahmestelle zwischen dem Hochdruckteil der Hauptmotorkühlmittelpumpe und der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv aufweist von der im Warmlauf bei Motorteillast zumindest temporär Kühlmittel über einen EGR-Kühler gefördert wird und auf einen Getriebeölkühler 60 und/oder einen Motorölkühler 40 oder in einem separaten Niedertemperatur-EGR-Kühler oder in einem rückwärts durchströmten Fahrzeugkühler 8 übertragen und dann ohne Durchströmung des motorseitigen Kühlwassermantels stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zur Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 zurückströmt.
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Zur Veranschaulichung zeigen 18- 22 entsprechende Beispiele ohne el. Zusatzpumpe 2, die aus 1-17 abgeleitet sind.
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In 18 liefert eine derartige Anwendung ohne el. Zusatzpumpe 2 mittels der spezifischen Einbindung des EGR-Kühlers 50 und des Motorölkühlers 40 die Möglichkeit, ohne Überhitzen des EGR-Kühlers, ganz besonders lange mit ruhendem Kühlmittel im Motor zu fahren. Ein federbelastetes Rückschlagventil 6rvd dient hier exemplarisch der Aufrechterhaltung eines hinreichenden Kühlmitteldrucks für den Heizungswärmetaucher 4 im Heizbetrieb. Bei entsprechend klein dimensioniertem Bypasszweig 6b oder gar Entfall des Bypasszweigs 6b kann das Ventil 6rvd aber vielfach auch entfallen.
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19 und 20 zeigen einen entsprechenden Erkenntnistransfer aus 1-17 auf ein Niedertemperatur-EGR-System ohne el. Zusatzpumpe 2. Die Systemauslegung ist hier durchaus etwas sensibler und liefert auch einen reduzierten Gesamtnutzen, dennoch bleiben die Systeme nach 19 und 20 angesichts der reduzierten Kosten hochattraktiv.
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Analoges gilt für 21 und 22 . Dabei wird es in 21 durch die Durchströmung des EGR-Kühlers 50 und des Motorölkühlers 40 ermöglicht, dass möglichst lange mit stehendem Wasser gefahren werden kann. Dabei ist es natürlich nicht zwingend, die beiden Kühler 40 und 50 in Reihe zu schalten, es kann auch eine Parallelschaltung gewählt werden,
In 22 ist keine Kühlung eines EGR-Zweigs gegen Überhitzung erforderlich. Dennoch liefert die Deaktivierung des Getriebeölkühlers 60 und/oder des Motorölkühlers 40 zumindest in der frühen Warmlaufphase Vorteile. Speziell wenn der Kühlmitteltemperaturregler prinzipbedingt erst bei sehr hohen Kühlmitteltemperaturen öffnet oder frei angesteuert werden kann, kann ein System gemäß 22 durchaus ein gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis liefern. Dabei hat die spezifische Einbindung gemäß 21 und 22 den nicht zu unterschätzenden Vorteil, dass durch die Wegdämpfung von Temperaturspitzen im Zweig mit den Kühlern 40/50/60 vor dem Einströmen in den Motor erheblich weniger Anforderungen bezüglich des Temperaturreglers 6 und der Variation/Taktung der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv erforderlich sind als bei bisher bekannten Systemen ähnlicher Art.
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Die bisherigen Ausführungen und die Beschreibungen zu 1-22 haben sich auf Kühl- und Heizkreisläufe für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine 1 gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bezogen, bei der die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zwischen der Hauptmotorkühlmittelpumpe und dem Eintritt in den Wassermantel liegt. Speziell die beschriebenen Funktionalitäten bezüglich der Kühlmittelleitungen 4at, 4am und ganz besonders 4ak und 4ab lassen sich aber auch durchaus vorteilhaft nutzen, wenn die Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv nicht explizit zwischen der Hauptmotorkühlmittelpumpe und dem Wassermantel sitzt. Stellvertretend für die Vielzahl an bereits gezeigten Kreisläufen zeigen 23 und 24, ausgehend von 15, entsprechende Kühlkreisläufe mit einer geänderten Position der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv.
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In 23 ist die Funktionalität „Stehendes Kühlmittel im Motor“ exemplarisch durch das von der Motorsteuerung 20 betätigte Kühlmittelabsperrventil 6bv im Bypasszweig 6b realisiert.
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Noch kostengünstiger ist die Lösung gemäß
24, bei welcher ein auf den Kühlmitteldruck relativ zum Umgebungsdruck reagierendes Kühlmittelabsperrventil
6bv zum Einsatz kommt. Ein derartiges Ventil wird bevorzugt so ausgelegt, dass bei Erreichen eines Kühlmittelsystemdrucks von beispielsweise 0,5 bar der Kühlmittelsystemdruck bereits ausreicht um die Öffnung herbeizuführen und insbesondere, dass unterhalb dieses Systemdruckes eine Öffnung nur bei relativ hoher Motordrehzahl von beispielsweise 2000-3000 1/min erfolgt. Ein entsprechendes Ventilbeispiel ist in
25 gezeigt. Dieses ist identisch mit
12 der
DE 10 2004 058 864 A1 . Der Druck des Kühlmittels am Eintritt in das Ventil selbst setzt hierbei eine Druckdose in Bewegung und öffnet gegen eine Vorspannung der Membran
101, sobald der Kühlmitteldruck relativ zum Umgebungsdruck bzw. der Kühlmittelabsolutdruck zu groß ist.
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Mit einer solchen autarken Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv verliert man zwar den Vorteil, dass das Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv frei wählbar ist und somit insbesondere auch der Zeitpunkt der Ölkühlerströmungsrichtungsumkehr, doch es lässt damit sich bei geeigneter Abstimmung der Druckverluste im Bypasszweig 6b und im Kühlerzweig 6a ein betriebssicheres und ganz besonders kosteneffizientes System aufbauen.
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Ganz grundsätzlich ist es bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv - und damit bei zunächst stehendem oder stark durchflussreduziertem Kühlmittel im Motor - besonders vorteilhaft, wenn mindestens 2 Zweige 4ab und 4ak mittels einer el. Zusatzpumpe 2 Kühlmittel von einer besonders heißen Stelle des Kühlkreislaufs stromab der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv beziehen, insbesondere vom Wassermantel nahe des Kühlmittelaustritts aus dem Motor oder auf der Zylinderkopfsseite der Auslassventile des Ladungswechsel-Ventilsystems, und dieses Kühlmittel bei motoreinlassseitiger Kühlmittelabsperrung 6bv stromab oder bei auslassseitiger Absperrvorrichtung 6bv stromauf der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zum Wassermantel des Motorzylinderkopfes 1K und/oder des Motorzylinderblocks 1B zurückfördern, wenn hierbei zumindest ein Zweig 4ab und/oder 4ak einen Heizungswärmetauscher 4 und/oder einen Motorölkühler 40 und/oder einen anderen Wärmetauscher enthält.
Die damit beschriebenen Vorteile und Möglichkeiten bezüglich der Maximierung der Kabinenheizleistung wurden bereits ausführlich beschrieben. Ganz besonderes Interesse kommt hierbei dem Motorölkühler 40 zu, der bei dem Beispiel gemäß 15 ebenso wie bei den Beispielen gemäß 23 und 24 zumindest bei entsprechender Auslegung des Heizungszweigs 4a und des Heizungswärmetauschers 4 als wichtige Wärmequelle für Kabinenheizzwecke aktiviert werden kann.
15, 23 und 24 zeigen insbesondere die besonders vorteilhafte Option auf, den Getriebeölkühler 60 und/oder den EGR-Kühler 50 vom eigentlichen Warmlauf des Motors abzukoppeln.
Dies liefert speziell im winterlichen Warmlauf bei gegebenenfalls abgasseitig deaktiviertem EGR-Kühler eine signifikante Reduktion der wärmeaktiven Masse und der Oberflächenwärmeverluste, verbunden mit einer Verbesserung der Heizleistung. Der Entfall der Ventile 40pv und/oder 40sv, z.B. in 15, 23 und 24 ist aus Kostengründen in vielen Fällen durchaus ohne unvertretbare Einbußen an Heizleistung möglich. Und auch die damit in der Regel verbundenen Kraftstoffverbrauchsnachteile verglichen mit dem Optimalsystem lassen sich bei geeigneter Durchflussabstimmung, insbesondere mit stufenlos regelbarer el. Zusatzpumpe 2, auf relativ niedrigem Niveau halten.
Dennoch ist es zur Maximierung der Vorteile bezüglich der Kabinenheizwirkung besonders vorteilhaft, wenn zumindest ein Ventil, insbesondere ein Überdruckventil 4pv und/oder ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Ventil 4ev und/oder ein Thermostatventil 4tv und/oder ein Rückschlagventil 4rv und/oder ein Durchflussbegrenzungsventil 4sv bei eingeschalteter el. Zusatzpumpe 2 und geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv den Durchfluss durch den Motorölkühler 40 und/oder andere Kühler in einer ersten Phase unterbindet oder drosselt und in einer zweiten Phase freigibt, und insbesondere, dass eine Variation der Fördermenge der el. Zusatzpumpe die Umschaltung zwischen der ersten und zweiten Phase vornimmt.
Speziell wenn mit relativ geringem Heizungskühlmitteldurchfluss für maximale Kabinenheizleistung gearbeitet wird, ist es insbesondere im Heißlandtest extrem hilfreich, dass durch das Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv eine Umkehrung der Kühlmittelströmungsrichtung in dem Ölkühler 40 und/oder in den einen anderen Wärmetauscher enthaltenden Zweigen 4ab oder 4ak erfolgt und dass das Kühlmittel dieses Zweigs nach Öffnen der Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv zur Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 strömt.
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Wie bereits erwähnt, ist es besonders kostengünstig, wenn als Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ein von der Motorsteuerung 20 ansteuerbares Ventil 6bv oder ein unter dem Kühlmitteldruck relativ zum Umgebungsdruck autark öffnendes Ventil 6bv stromauf der Hauptmotorkühlmittelpumpe 7 und stromab des Wassermantels des Zylinderblocks und/oder Zylinderkopfes angeordnet ist.
Dabei ist es zwar vorteilhaft aber nicht zwingend notwendig, die EGR-Kühlereinbindung und/oder die Getriebeölkühlereinbindung gemäß 23 oder 24 auszugestalten, andere Lösungswege sind in 1-22 zumindest ansatzweise enthalten.
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Ganz grundsätzlich gilt für die hier beschriebenen Funktionalitäten mit geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv, dass es besonders vorteilhaft ist, zur Kabinenheizleistungssteigerung einen Hochleistungsheizungswärmetauscher 4, insbesondere einen Hochleistungswärmetauscher 4 gemäß der WO 2008 / 125 089 A2 zu verwenden und dass bei geschlossener Kühlmittelabschaltvorrichtung 6bv das Kühlmittel am Hochleistungsheizungswärmetauscher 4 mittels moderat gewählter Kühlmitteldurchflüsse sehr stark abgekühlt wird um die thermische Spreizung am Motor bzw. im Heizkreislauf dazu zu verwenden, die effektive wärmeaktive Masse und die Oberflächenwärmeverluste zu reduzieren.
Dies gilt mit und ohne Motorölkühler 40.
Ganz besonders effektiv ist es darüber hinaus bei Kühlsystemen mit Motorölkühler 40, wenn zumindest im Verlauf des Warmlaufs der Heizungswärmetauscher 4 am Kühlmittel eine so große Temperaturabsenkung herbeiführt, dass vor dem Kühlmittelwiedereintritt in den Motor am Motorölkühler 40 bereits sehr früh im Warmlauf Wärme vom Öl ins Kühlmittel übertragen wird.
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Wie exemplarisch in 15, 23 und 24 gezeigt wird, ist für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankenguts in den Fällen mit el. Zusatzpumpe 2 eine Vorrichtung besonders wirksam und gleichzeitig sehr kosteneffektiv, bei der im Heizungszweig 4a ein Druckventil 40pv angeordnet ist, welches erst ab einem Mindestdruck der el. Zusatzpumpe 2 öffnet und bei der die el. Zusatzpumpe 2 bei geringerem Förderdruck dazu verwendet wird, bei geschlossener Kühlmittelabsperrvorrichtung 6bv ohne Durchströmung des Heizungswärmetauschers 4 und/oder des(der)Motorölkühler(s) für einen motorinternen Temperaturausgleich zu sorgen.
Die Anordnung der el. Zusatzpumpe 2 stromauf des Heizungswärmetauschers 4 hat hier den ganz besonderen Vorteil, dass sich damit der Temperaturausgleich im Zweig 4ak mit einer besonders geringen wärmeaktiven Masse realisieren lässt. Dies gilt mit und ohne Durchflussbegrenzungsventil 40sv im Zweig 4ak.
