DE102009058585A1

DE102009058585A1 - Kühlanordnung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102009058585A1
Application number: DE102009058585A
Authority: DE
Inventors: Norbert 81739 Dembinski; Thomas 81739 Spiess; Bernhard 85386 Endisch; Heinz 85774 Lemberger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011082724A1

Abstract

Kühlanordnung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine von einem Wärmeübertragungsmittel durchströmbar ist, umfassend einen Haupt-Wärmetauscher zur Kühlung des Wärmeübertragungsmittels und ein Thermostat-Ventil zur Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart, in der das Wärmeübertragungsmittel im Wesentlichen innerhalb der Brennkraftmaschine umgewälzt wird und einer zweiten Betriebsart, in der das Wärmeübertragungsmittel auch den Haupt-Wärmetauscher durchströmt, wobei eine von der Brennkraftmaschine antreibbare schaltbare mechanische erste Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels und eine von der Brennkraftmaschine unabhängig antreibbare schaltbare elektrische zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels vorgesehen sind und sowohl die erste Pumpe als auch die zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels in der ersten Betriebsart geeignet ist und sowohl die erste Pumpe als auch die zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels in der zweiten Betriebsart geeignet ist sowie Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine von einem Wärmeübertragungsmittel durchströmbar ist, umfassend einen Haupt-Wärmetauscher zur Kühlung des Wärmeübertragungsmittels und ein Thermostat-Ventil zur Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart, in der das Wärmeübertragungsmittel im Wesentlichen innerhalb der Brennkraftmaschine umgewälzt wird und einer zweiten Betriebsart, in der das Wärmeübertragungsmittel auch den Haupt-Wärmetauscher durchströmt sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlanordnung.
Eine von der Brennkraftmaschine antreibbare schaltbare mechanische Pumpe zur Umwälzung des Kühlmittels ist beispielsweise aus der DE 102 36 746 A1 bekannt. Diese ermöglicht eine bedarfsweise Zu- oder Abschaltung. Voraussetzung für einen Antrieb der Pumpe ist allerdings, dass die Brennkraftmaschine in Betrieb ist, bei stehender Brennkraftmaschine ist ein Antrieb der Pumpe nicht möglich. Außerdem weist diese Pumpe eine feste Kennlinie auf, sodass beim Zuschalten der Pumpe drehzahlabhängig ein vorbestimmter Kühlmittel-Volumenstrom umgewälzt wird. Eine Auslegung muss dabei aus Sicherheitsgründen unter Berücksichtigung von Temperatur-Extrembedingungen erfolgen mit der Folge, dass die Pumpe einen großen Bauraum beansprucht, ein hohes Gewicht aufweist und einen hohe Leistungsaufnahme sowie entsprechende Verluste aufweist.
Aus der DE 10 2005 024 827 A1 geht eine Kühlanordnung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine hervor, wobei eine Kühlmittelpumpe vorgesehen ist, die sowohl ausgehend von der Brennkraftmaschine mechanisch als auch von der Brennkraftmaschine unabhängig elektromotorisch antreibbar ist. Auch diese Pumpe weist feste Kennlinie auf, sodass beim Zuschalten der Pumpe drehzahlabhängig ein vorbestimmter Wärmeübertragungsmittel-Volumenstrom umgewälzt wird und eine Auslegung der Pumpe aus Sicherheitsgründen unter Berücksichtigung von Temperatur-Extrembedingungen erfolgen muss mit der Folge, dass die Pumpe einen großen Bauraum beansprucht, ein hohes Gewicht aufweist und einen hohe Leistungsaufnahme sowie entsprechende Verluste aufweist. Zudem führt die sowohl mechanische als auch elektromotorische Antriebsmöglichkeit zu einem vergleichsweise komplexen Aggregat.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Kühlanordnung bereit zu stellen, die unter Vermeidung eine komplexen Pumpen-Antriebs eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels auch bei stehender Brennkraftmaschine erlaubt und mit der zugleich in weiten Betriebsbereichen Leistungsaufnahme der Pumpe sowie Verluste reduziert werden können. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kühlanordnung bereit gestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, indem eine von der Brennkraftmaschine antreibbare schaltbare mechanische erste Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels und eine von der Brennkraftmaschine unabhängig antreibbare schaltbare elektrische zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels vorgesehen sind, wobei sowohl die erste Pumpe als auch die zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels in der ersten Betriebsart geeignet ist und sowohl die erste Pumpe als auch die zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels in der zweiten Betriebsart geeignet ist.
Damit kann unabhängig davon, ob das Wärmeübertragungsmittel nur innerhalb der Brennkraftmaschine umgewälzt wird oder auch den Haupt-Wärmetauscher durchströmt, eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels bedarfsabhängig mittels der ersten oder der zweiten Pumpe erfolgen und die Pumpenantriebe weisen jeweils eine nur geringe Komplexität auf. Insbesondere kann ein gesonderter Freilauf vermieden werden.
Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen das Anspruchs 8 gelöst, indem in einem ersten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, die Kühlanordnung in der ersten Betriebsart betrieben wird, die erste Pumpe außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der zweiten Pumpe umgewälzt wird.
In diesem Betriebszustand ist eine Kühlung des Wärmeübertragungsmittels grundsätzlich nicht erforderlich. Jedoch ermöglicht die Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels auch in diesem Betriebszustand eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb der Brennkraftmaschine unter Vermeidung von Wärme- oder Kälte-Inseln sowie eine Umspülung des Thermostat-Ventils und eine Beaufschlagung des Thermostat-Ventils mit einer repräsentativen mittleren Temperatur. Zugleich kann zum Betrieb der Pumpe gespeicherte elektrische Energie genutzt werden, sodass in diesem Betriebszustand brennkraftmaschinenseitig nicht unmittelbar Leistung zum Betrieb der Pumpe bereit gestellt werden muss, was sich positiv auf deren Emissionen auswirkt.
Ferner wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen das Anspruchs 9 gelöst, indem in einem zweiten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, die Kühlanordnung in der ersten Betriebsart betrieben wird, die zweite Pumpe außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der ersten Pumpe umgewälzt wird.
Eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels mittels der zweiten Pumpe ermöglicht in diesem Betriebszustand einen von der Brennkraftmaschine ausgehenden Pumpen-Antrieb und damit die Schonung eines elektrischen Energie-Speichers.
Zudem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen das Anspruchs 10 gelöst, indem in einem dritten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Kühlanordnung in der zweiten Betriebsart betrieben wird, die erste Pumpe außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der zweiten Pumpe umgewälzt wird.
Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur gerade erst erreicht hat und ein nur geringer Wärmeüberschuss von der Brennkraftmaschine abzuführen ist, kann eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels mittels der zweiten Pumpe ausreichend sein, sodass der Einsatz der ersten Pumpe zeitlich hinausgeschoben werden kann.
Zudem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen das Anspruchs 11 gelöst, indem in einem vierten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Kühlanordnung in der zweiten Betriebsart betrieben wird, die zweite Pumpe außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der ersten Pumpe umgewälzt wird.
In diesem Betriebszustand ist eine Kühlung der Brennkraftmaschine sowie des Wärmeübertragungsmittels erforderlich. Dieser Betriebszustand herrscht überwiegend vor, sodass ein unmittelbar von der Brennkraftmaschine ausgehender Pumpen-Antrieb angesichts der nur begrenzt verfügbaren elektrischen Energie zweckmäßig ist.
Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen das Anspruchs 12 gelöst, indem in einem fünften Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine vorübergehend außer Betrieb gesetzt ist, die Kühlanordnung in der zweiten Betriebsart betrieben wird, die erste Pumpe nicht angetrieben ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der zweiten Pumpe umgewälzt wird.
In diesem Betriebszustand ist eine Kühlung der Brennkraftmaschine sowie des Wärmeübertragungsmittels erforderlich, ein unmittelbar von der Brennkraftmaschine ausgehender Pumpen-Antrieb jedoch nicht möglich, sodass mittels der zweiten Pumpe trotz stehender Brennkraftmaschine eine weitere Kühlung der Brennkraftmaschine sowie des Wärmeübertragungsmittels gewährleistet ist.
Schließlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen das Anspruchs 13 gelöst, indem in einem sechsten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Kühlanordnung in der zweiten Betriebsart betrieben wird, das Wärmeübertragungsmittel sowohl mittels der ersten Pumpe als auch mittels der zweite Pumpen umgewälzt wird.
Dabei unterstützt die zweite Pumpe die erste Pumpe bei der Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels, sodass eine besonders große Menge Wärmeübertragungsmittel umgewälzt wird. Diese Betriebsart erfolgt insbesondere in kritischen Förderleistungszuständen, welche sich beispielsweise ergeben können, wenn die erste Pumpe im (Heiß-)Leerlauf zu wenig fördert. Dieser Betriebsart kommt besondere Bedeutung zu, wenn ein Getriebeöl-Wärmetauscher im Kühlbetrieb läuft, beispielsweise bei Bergfahrt.
Besonders zu bevorzugende Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorzugsweise weist die zweite Pumpe der erfindungsgemäßen Kühlanordnung eine im Vergleich zur maximalen Umwälz-Leistung der ersten Pumpe geringe maximale Umwälz-Leistung auf. Damit kann bei Verwendung der zweiten Pumpe die zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels erforderliche Leistungsaufnahme erheblich verringert werden und es kann die Umwälzung eines unnötig großen Volumenstroms vermieden werden.
Zweckmäßig ist es, wenn die maximale Umwälz-Menge (Volumenstrom) der zweiten Pumpe ca. 0,5–30%, insbesondere ca. 2–10% der maximalen Umwälz-Menge der ersten Pumpe beträgt. Beispielsweise liegt die maximale Umwälz-Menge Ṗ_1max der ersten Pumpe zwischen ca. 10.000 und ca. 15.000 l/h und die maximale Umwälz-Menge Ṗ_2max der zweiten Pumpe zwischen ca. 50 und ca. 4.500 l/h, insbesondere zwischen ca. 200 und ca. 1.500 l/h.
Einer bevorzugten Ausführung zufolge umfasst die Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader mit einer wärmeübertragungsmitteldurchströmbaren Lageranordnung und die zweite Pumpe ist zur Beaufschlagung der Abgasturbolader-Lageranordnung mit dem Wärmeübertragungsmittel sowohl in der ersten als auch in der zweiten Betriebsart der Kühlanordnung geeignet. Mit der zweiten Pumpe können damit nicht nur die oben genannten Vorteile erreicht werden, sondern es kann auch unabhängig davon, ob das Wärmeübertragungsmittel nur innerhalb der Brennkraftmaschine umgewälzt wird oder auch den Haupt-Wärmetauscher durchströmt und unabhängig vom Betrieb der Brennkraftmaschine die Abgasturbolader-Lageranordnung gekühlt werden. Eine zur Kühlung der Abgasturbolader-Lageranordnung vorgesehene Pumpe wird demzufolge als erfindungsgemäße zweite Pumpe genutzt, sodass eine weitere von der Brennkraftmaschine unabhängig antreibbare schaltbare elektrische Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels nicht erforderlich.
Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn zum Antrieb der ersten Pumpe ein schaltbarer Reibrad-Antrieb vorgesehen ist. Zu Einzelheiten des Reibrad-Antriebs und dessen Vorteilen wird auf die eingangs genannte DE 102 36 746 A1 , insbesondere auf deren Absätze [0010]–[0018], verwiesen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung, ist bei einer Kühlanordnung mit einem Heizungs-Wärmetauscher zur Wärmeübertragung vom Wärmeübertragungsmittel zu einer Kraftfahrzeug-Innenraum-Heizung sowohl die erste Pumpe als auch die zweite Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels durch den Heizungs-Wärmetauscher geeignet. Damit kann eine Beheizung des Kraftfahrzeug-Innenraums unabhängig davon erfolgen, ob das Wärmeübertragungsmittel mittels der ersten oder mittels der zweiten Pumpe, also auch unabhängig von einem Betrieb der Brennkraftmaschine, umgewälzt wird.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Kühlanordnung einen Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher umfasst und der Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher wahlweise zum Erwärmen oder zum Kühlen des Getriebeöls geeignet ist. Damit kann das Getriebeöl rasch auf eine erforderliche Betriebstemperatur gebracht und dann auf diesem Temperaturniveau gehalten werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Kühlanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass im zweiten und dritten Betriebszustand der Heizungs-Wärmetauscher in der ersten Durchströmungsrichtung durchströmt wird und im ersten und vierten Betriebszustand der Heizungs-Wärmetauscher in der zweiten Durchströmungsrichtung durchströmt wird.
Sehr von Vorteil ist es ferner, wenn in einer ersten Betriebsart der Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher das Getriebeöl kühlt und in einer zweiten Betriebsart der Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher das Getriebeöl erwärmt.
Mit der Erfindung können in vorteilhafter Weise Betriebsanteil bei der Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels von der zweiten Pumpe übernommen werden, sodass der Betriebsanteil der ersten Pumpe reduziert wird. Während die erste Pumpe 110 entweder mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsgekoppelt oder abgeschaltet ist, kann die zweite Pumpe gegebenenfalls stufenlos regelbar sein, sodass bei Verwendung der zweiten Pumpe eine besondere bedarfsgerechte Anpassung der Fördermenge möglich ist. Soweit es die Randbedingungen gestatten, wird eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels mittels der zweiten Pumpe gegenüber einer Umwälzung mittels der ersten Pumpe bevorzugt. Insbesondere während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine und/oder im Teillastbereich kann demnach eine Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels mittels der zweiten Pumpe erfolgen.
Die erste und die zweite Pumpe bilden zudem ein redundantes Pumpensystem, sodass die Sicherheit erhöht ist, indem unabhängig vom weiteren Betriebszustand der Kühlanordnung eine Pumpe bei einem Defekt der anderen Pumpe zumindest vorübergehend die Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels übernehmen kann.
Nachfolgend ist ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert, dabei zeigen schematisch und beispielhaft
1a eine Kühlanordnung für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit einer von der Brennkraftmaschine antreibbaren schaltbaren mechanischen Pumpe und einer von der Brennkraftmaschine unabhängig antreibbaren schaltbaren elektrischen Pumpe zur Umwälzung eines Wärmeübertragungsmittels in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und das Wärmeübertragungsmittels mittels der elektrischen Pumpe umgewälzt wird,
1b die Kühlanordnung in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat und das Wärmeübertragungsmittels mittels der mechanischen Pumpe umgewälzt wird,
1c die Kühlanordnung in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat und das Wärmeübertragungsmittels mittels der mechanischen Pumpe umgewälzt wird,
1d die Kühlanordnung in einem Betriebszustand, in dem in der die betriebswarme Brennkraftmaschine vorübergehend außer Betrieb gesetzt ist und das Wärmeübertragungsmittels mittels der elektrischen Pumpe umgewälzt wird,
1e die Kühlanordnung in einem Betriebszustand, in dem das Getriebeöl gekühlt wird,
1f die Kühlanordnung in einem Betriebszustand, in dem das Getriebeöl erwärmt wird und
2 ein Diagramm zur Steuerung der elektrischen Pumpe.
1a zeigt eine Kühlanordnung 100 für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine 102 mit einer von der Brennkraftmaschine 102 antreibbaren schaltbaren mechanischen Pumpe 110 und einer von der Brennkraftmaschine 102 unabhängig antreibbaren schaltbaren elektrischen Pumpe 112 zur Umwälzung eines Wärmeübertragungsmittels in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine 102 in Betrieb ist, ihre Betriebstemperatur jedoch noch nicht erreicht hat und das Wärmeübertragungsmittels mittels der elektrischen Pumpe 112 umgewälzt wird.
Vorliegend wird als Wärmeübertragungsmittel mit Additiven zur Absenkung des Gefrierpunktes, zum Korrosionsschutz und/oder zum Verschleißschutz beaufschlagtes Wasser verwendet.
Die Brennkraftmaschine umfasst ein Kurbelgehäuse 104, in dem eine Kurbelwelle angeordnet ist und einen Zylinderkopf 106, in dem Ein- und Auslassventile sowie Nockenwellen zu deren Betätigung angeordnet sind. Vorliegend ist beispielhaft eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine 102 in Reihenbauweise dargestellt, die Erfindung kann jedoch ebenso bei einer Brennkraftmaschine mit anderer Zylinderzahl und Bauweise eingesetzt werden.
Kurbelgehäuse 104 und Zylinderkopf 106 sind von Kanälen durchsetzt, die von dem Wärmeübertragungsmittel durchströmbar sind, um überschüssige Wärme von der Brennkraftmaschine 102 abzuführen, sodass deren Betriebstemperatur innerhalb der erforderlichen Grenzen gehalten werden kann. Im Ausführungsbeispiel wird das Wärmeübertragungsmittel bei Umwälzung der Brennkraftmaschine 102 in deren Frontbereich seitlich über einen Wärmeübertragungsmittel-Einlass im Kurbelgehäuse 104 zugeführt und durchströmt sowohl die Kanäle des Kurbelgehäuses 104 als auch über Durchtritte zum Zylinderkopf 106 die Kanäle des Zylinderkopfs 106. Rückseitig tritt das Wärmeübertragungsmittel über einen Wärmeübertragungsmittel-Auslass im Zylinderkopf 106 aus. Die Brennkraftmaschine 102 wird somit von vorne nach hinten sowie von unten nach oben durchströmt.
Die bei Durchströmung der Brennkraftmaschine 102 vom Wärmeübertragungsmittel aufgenommene Wärme kann mittels eines Haupt-Wärmetauschers 108 abgeführt werden. Der Haupt-Wärmetauscher 108 ist von dem Wärmeübertragungsmittel einerseits und andererseits von Kühlluft durchströmbar, sodass Wärme vom Wärmeübertragungsmittel auf die Kühlluft übertragen und abgeführt werden kann. Welche Wärmemenge von der Brennkraftmaschine 102 abgeführt wird, wird damit maßgeblich von dem durch den Haupt-Wärmetauscher 108 strömenden Wärmeübertragungsmittel-Massenstrom beeinflusst.
Im Bereich des Wärmeübertragungsmittel-Einlasses der Brennkraftmaschine 102 ist ein Thermostat-Ventil 114 im Strömungsweg des Wärmeübertragungsmittels angeordnet. Das Thermostat-Ventil 114 regelt bedarfsabhängig, welcher Anteil des umgewälzten Wärmeübertragungsmittels den Haupt-Wärmetauscher 108 durchströmt. Entsprechend der Stellung des Thermostat-Ventils 114 kann das Wärmeübertragungsmittel innerhalb der Brennkraftmaschine 102 umgewälzt werden, wobei der Haupt-Wärmetauscher 108 nicht oder nur minimal durchströmt wird, der Haupt-Wärmetauscher 108 kann maximal durchströmt werden oder es kann eine dazwischen liegende teilweise Durchströmung des Haupt-Wärmetauschers 108 erfolgen.
Vorliegend liegt der Schaltpunkt der Thermostat-Ventils 114 bei einer Wärmeübertragungsmittel-Temperatur von ca. 90–120°C, insbesondere von ca. 100–110°C. Gemäß 1a hat die Brennkraftmaschine 102 ihre Betriebstemperatur allerdings noch nicht erreicht, das Thermostat-Ventil 114 befindet sich demzufolge in einer Stellung, in der das Wärmeübertragungsmittel innerhalb der Brennkraftmaschine 102 umgewälzt wird.
An dem Wärmeübertragungsmittel-Auslass im Zylinderkopf 106 der Brennkraftmaschine 102 ist eine Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 (Kühlervorlaufleitung) angeschlossen, durch die das Wärmeübertragungsmittel bei Umwälzung zu einem Einlass des Haupt-Wärmetauschers 108 strömen kann. Eine Wärmeübertragungsmittel-Leitung 136 (Kühlerrücklaufleitung) verbindet einen Auslass des Haupt-Wärmetauschers 108 mit dem Wärmeübertragungsmittel-Einlass im Kurbelgehäuse 108 der Brennkraftmaschine 102.
Von der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 zweigt eine Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 (Kurzschlussleitung) ab, die die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 unter Umgehung des Haupt-Wärmetauschers 108 mit dem Wärmeübertragungsmittel-Einlass im Kurbelgehäuse 108 der Brennkraftmaschine 102 verbindet. Die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 mündet in das Thermostat-Ventil 114 ein.
Zwischen dem Thermostat-Ventil 114 und dem Wärmeübertragungsmittel-Einlass im Kurbelgehäuse 108 der Brennkraftmaschine 102 ist eine mechanische Pumpe 110 zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels angeordnet, wobei die Saugseite der Pumpe 110 mit einem Auslass des Thermostat-Ventils 114 und die Druckseite der Pumpe mit dem Wärmeübertragungsmittel-Einlass verbunden ist. Die maximale Umwälz-Leistung Ṗ_1max der mechanischen Pumpe 110 liegt vorliegend zwischen ca. 10.000 und ca. 15.000 l/min, insbesondere zwischen ca. 12.000 und ca. 13.000 l/min.
Ein Antrieb der Pumpe 110 kann ausgehend von einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 102 verbundenen kurbelwellenseitigen Antriebsrad 122 erfolgen. Mittels eines verlagerbaren Reibrads 120 kann zum Antrieb der Pumpe 110 ein Antriebsrad der Pumpe 110 mit dem kurbelwellenseitigen Antriebsrad 122 antriebsmäßig verbunden werden. Gemäß 1a ist das Reibrad 120 jedoch außer Eingriff geschaltet, sodass trotz laufender Brennkraftmaschine 102 die Pumpe 110 nicht angetrieben ist.
Zusätzlich zur mechanischen Pumpe 110 ist in der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 eine elektrische Pumpe 112 zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels angeordnet. Die Pumpe 112 fördert beim Betrieb Wärmeübertragungsmittel von der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 in Richtung des Thermostat-Ventils 114 und des Wärmeübertragungsmittel-Einlasses im Kurbelgehäuse 108 der Brennkraftmaschine 102. In dem in 1a dargestellten Betriebszustand wird das Wärmeübertragungsmittel mittels der elektrischen Pumpe 112 umgewälzt.
In der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 ist außerdem ein wärmeübertragungsmitteldurchströmbares Lager 118 einer Abgas-Turbolader-Einrichtung 116 der Brennkraftmaschine 102 angeordnet. Bei einer Durchströmung des Lagers 118 wird Wärme von dem Lager 118 auf das Wärmeübertragungsmittel übertragen und abgeführt.
Zwischen der Pumpe 112 und dem Thermostat-Ventil 114 zweigt von der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 eine Wärmeübertragungsmittel-Leitung 140 ab und führt zu einem Heizungs-Wärmetauscher 126, der zur Erwärmung des Kraftfahrzeug-Innenraums dient. Von dem Heizungs-Wärmetauscher 126 führt eine weitere Wärmeübertragungsmittel-Leitung 142 zur Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 und mündet in diese im Bereich des Einlasses des Haupt-Wärmetauschers 108 ein.
Die Kühlanordnung 100 umfasst ferner einen Wärmeübertragungsmittel-Ausgleichsbehälter 134, der vorliegend mit der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 140 verbunden ist, sowie einen Wärmetauscher 132, der eine Wärmeübertragung zwischen einem zur Schmierung und Kühlung der Brennkraftmaschine verwendeten Öl und dem Wärmeübertragungsmittel ermöglicht.
Bei dem in 1a dargestellten Betriebszustand wird das Wärmeübertragungsmittel mittels der elektrischen Pumpe 112 umgewälzt, strömt durch das Thermostat-Ventil 114 zum Wärmeübertragungsmittel-Einlass im Kurbelgehäuse 108 der Brennkraftmaschine 102, durchströmt die Brennkraftmaschine 102 zum Wärmeübertragungsmittel-Auslass im Zylinderkopf 106 gelangt dann durch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 und das Lager 118 des Abgas-Turbolader-Einrichtung 116 wieder zur Pumpe 112. Ein Teil des Wärmeübertragungsmittels strömt zudem durch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 140 zum Heizungs-Wärmetauscher 126 und durch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 142 zurück zur Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138.
1b zeigt die Kühlanordnung 100 in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine 102 ihre Betriebstemperatur ebenfalls noch nicht erreicht hat und das Wärmeübertragungsmittel jedoch mittels der mechanischen Pumpe 110 umgewälzt wird. Das Reibrad 120 ist eingerückt, sodass eine Antriebsverbindung zwischen dem kurbelwellenseitigen Antriebsrad 122 und dem Antriebsrad der Pumpe 110 hergestellt ist. Die elektrische Pumpe 112 ist ausgeschaltet. In diesem Betriebszustand dient die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 140 dem Heizungs-Vorlauf und die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 142 dem Heizungs-Rücklauf.
In 1c ist die Kühlanordnung 100 in einem Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine 102 ihre Betriebstemperatur erreicht hat und das Wärmeübertragungsmittel mittels der mechanischen Pumpe 110 umgewälzt wird, dargestellt. Das Thermostat-Ventil 114 befindet sich in einer Stellung, die einen Wärmeübertragungsmittel-Durchfluss durch den Haupt-Wärmetauscher 108 ermöglicht. Damit strömt ein Teil des umgewälzten Wärmeübertragungsmittels durch den Haupt-Wärmetauscher 108 und ein Teil durch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137. Das Wärmeübertragungsmittel wird mittels der mechanischen Pumpe 110 umgewälzt, wobei das Reibrad 120 eingerückt ist, sodass eine Antriebsverbindung zwischen dem kurbelwellenseitigen Antriebsrad 122 und dem Antriebsrad der Pumpe 110 hergestellt ist. Die elektrische Pumpe 112 ist ausgeschaltet. In diesem Betriebszustand dient die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 142 dem Heizungs-Vorlauf und die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 140 dem Heizungs-Rücklauf.
1d zeigt die Kühlanordnung 100 in einem Betriebszustand, in dem die betriebswarme Brennkraftmaschine 102 vorübergehend außer Betrieb gesetzt ist. Ein derartiger Betriebszustand kann sich insbesondere bei einer Brennkraftmaschine ergeben, die mit einer Start-Stop-Automatik zur Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduktion ausgerüstet ist. Das Reibrad 120 ist zwar eingerückt, sodass eine Antriebsverbindung zwischen dem kurbelwellenseitigen Antriebsrad 122 und dem Antriebsrad der Pumpe 110 hergestellt ist, da die Brennkraftmaschine außer Betrieb gesetzt ist, erfolgt jedoch kein Antrieb der mechanischen Pumpe 110. Das Wärmeübertragungsmittel wird daher mittels der elektrischen Pumpe 112 umgewälzt wird, wobei das Wärmeübertragungsmittel entsprechend der Stellung des Thermostat-Ventils 114 sowohl den Haupt-Wärmetauscher 108 als auch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 durchströmt. In diesem Betriebszustand wird der Haupt-Wärmetauscher 108 entgegen der üblichen Durchflussrichtung durchströmt. Auch der Heizungs-Wärmetauscher 126 wird durchstömt, wobei die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 140 dem Heizungs-Vorlauf und die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 142 dem Heizungs-Rücklauf dient.
Der in 1e dargestellte Betriebszustand entspricht im Wesentlichen dem in 1c dargestellten, zusätzlich wird jedoch gemäß 1e das Getriebeöl gekühlt. Ein Getriebeöl-Wärmetauscher 128 ist einlassseitig mit einem Niedertemperaturbereich des Haupt-Wärmetauschers 108 verbunden, der Auslass des Getriebeöl-Wärmetauschers 128 ist mit dem Einlass der Pumpe 112 verbunden. Der Wärmeübertragungsmittel-Durchfluss durch den Getriebeöl-Wärmetauscher 128 wird mittels eines Thermostat-Ventils 130, 131 geregelt.
1f entspricht ebenfalls im Wesentlichen dem in 1c dargestellten Betriebszustand, das Getriebeöl wird jedoch gemäß 1f erwärmt. Es ist eine Wärmeübertragungsmittel-Leitung vorgesehen, die im Einlassbereich des Haupt-Wärmetauschers 108 von der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 abzweigt und ein Warmlauf-Ventil 129 aufweist. Diese Wärmeübertragungsmittel-Leitung mündet in das Thermostat-Ventil 130, 131 des Getriebeöl-Wärmetauschers 128. Wenn das Warmlauf-Ventil 129 durchlassend geschaltet ist, erfolgt eine Getriebeölwarmlauf, indem warmes Wärmeübertragungsmittel aus der Wärmeübertragungsmittel-Leitung 138 durch den Getriebeöl-Wärmetauscher 128 strömt und dort Wärme von dem Wärmeübertragungsmittel auf das Getriebeöl übertragen wird.
1f zeigt einen Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine 102 ihre Betriebstemperatur erreicht hat und das Thermostat-Ventil 114 sich in einer Stellung befindet, die einen Wärmeübertragungsmittel-Durchfluss durch den Haupt-Wärmetauscher 108 ermöglicht, sodass ein Teil des umgewälzten Wärmeübertragungsmittels durch den Haupt-Wärmetauscher 108 und ein Teil durch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 strömt.
In Teil A der 1f ist das Thermostat-Ventil 114 mit entsprechendem Durchfluss in einer Stellung gezeigt, in der die Temperatur der Brennkraftmaschine 102 unterhalb ihrer Betriebstemperatur liegt und das umgewälzte Wärmeübertragungsmittel unter Umgehung des Haupt-Wärmetauscher 108 durch die Wärmeübertragungsmittel-Leitung 137 strömt. Auch in diesem Betriebszustand ein Getriebeölwarmlauf möglich.
2 zeigt ein Diagramm 200 zur Steuerung der mechanischen Pumpe 110 und der elektrischen Pumpe 112. Der Funktionsrahmen der mechanischen Pumpe 110 ist mit 202 bezeichnet und umfasst beispielsweise Informationen über ein Lastsignal, eine Heizungsanforderung, Zeit/Wiederholstart und/oder Fehlererkennung. Der Funktionsrahmen der mechanischen Pumpe 112 ist mit 204 bezeichnet und umfasst beispielsweise Informationen über eine Heizungsanforderung, Automatik-Getriebe, Brennkraftmaschinen-Kühlung und/oder Kühlung der Turbolader-Einrichtung 116.
Die elektrische Pumpe 112 ist in der Priorität der schaltbaren mechanischen Pumpe 110 untergeordnet. Damit wird sicher gestellt, dass bei kritischen Betriebsbedingungen immer die mechanische Pumpe 110 zugeschaltet wird, um Schäden an der Brennkraftmaschine zu verhindern. Ist jedoch die Temperatur des Wärmeübertragungsmittels knapp unterhalb der Umschalttemperatur des Thermostat-Ventils 108, wird die elektrische Pumpe partiell zugeschaltet, um möglichst lange die genannten Vorteile nutzen zu können. Da hierbei der Temperatur-Sensor 115 zum sensieren der Temperatur des Wärmeübertragungsmittels umspült wird, erhält ein mit diesem verbundenes Steuergerät zugleich eine repräsentative Temperatur-Information. Die in 2 dargestellten Parameter sind zweckmäßigerweise jeweils als Kennfelder abgelegt.
Die Funktionslogik der elektrischen Pumpe 112 ist zweckmäßigerweise in einem Steuergerät, beispielsweise einem Steuergerät der Brennkraftmaschine, abgelegt. Hier kann auf alle erforderlichen Betriebsparameter zurückgegriffen werden. Eingehende Betriebsparameter können dann individuell mittels einzelner Kennfelder in der Funktionslogik den optimalen Betrieb der Pumpe 112 gewährleisten.
Mit der Erfindung wird die zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels erforderliche Leistungsaufnahme gesenkt und damit Kraftstoff eingespart sowie die Emissionen, insbesondere CO₂-Emissionen, der Brennkraftmaschine gesenkt. Bei temperaturkritischen Zuständen kann die elektrische Pumpe 112 optional zugeschaltet werden. Die Kühlanordnung 100 begünstigt die Ausscheidung von Luftblasen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10236746 A1 [0002, 0023]
DE 102005024827 A1 [0003]

Claims

Kühlanordnung (100) für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine (102), wobei die Brennkraftmaschine (102) von einem Wärmeübertragungsmittel durchströmbar ist, umfassend – einen Haupt-Wärmetauscher (108) zur Kühlung des Wärmeübertragungsmittels und – ein Thermostat-Ventil (114) zur Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart, in der das Wärmeübertragungsmittel im Wesentlichen innerhalb der Brennkraftmaschine (102) umgewälzt wird und einer zweiten Betriebsart, in der das Wärmeübertragungsmittel auch den Haupt-Wärmetauscher (108) durchströmt, gekennzeichnet durch – eine von der Brennkraftmaschine (102) antreibbare schaltbare mechanische erste Pumpe (110) zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels und – eine von der Brennkraftmaschine (102) unabhängig antreibbare schaltbare elektrische zweite Pumpe (112) zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels, wobei – sowohl die erste Pumpe (110) als auch die zweite Pumpe (112) zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels in der ersten Betriebsart geeignet ist und – sowohl die erste Pumpe (110) als auch die zweite (112) Pumpe zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels in der zweiten Betriebsart geeignet ist.
Kühlanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Pumpe (112) eine im Vergleich zur maximalen Umwälz-Leistung der ersten Pumpe (110) geringe maximale Umwälz-Leistung aufweist.
Kühlanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Umwälz-Leistung (Volumenstrom) der zweiten Pumpe (112) ca. 0,5–30%, insbesondere ca. 2–10% der maximalen Umwälz-Leistung der ersten Pumpe (110) beträgt.
Kühlanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (102) einen Abgasturbolader (116) mit einer wärmeübertragungsmitteldurchströmbaren Lageranordnung (118) umfasst und die zweite Pumpe (112) zur Beaufschlagung der Abgasturbolader-Lageranordnung (118) mit Wärmeübertragungsmittel sowohl in der ersten Betriebsart als auch in der zweiten Betriebsart geeignet ist.
Kühlanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der ersten Pumpe (110) ein schaltbarer Reibrad-Antrieb (120) vorgesehen ist.
Kühlanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Heizungs-Wärmetauscher (126) zur Wärmeübertragung vom Wärmeübertragungsmittel zu einer Kraftfahrzeug-Innenraum-Heizung, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die erste Pumpe (110) als auch die zweite Pumpe (112) zur Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels durch den Heizungs-Wärmetauscher (126) geeignet ist.
Kühlanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher (128), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher (128) wahlweise zum Erwärmen oder zum Kühlen des Getriebeöls geeignet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine (102) ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, die Kühlanordnung (100) in der ersten Betriebsart betrieben wird, die erste Pumpe (110) außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der zweiten Pumpe (112) umgewälzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine (102) ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, die Kühlanordnung (100) in der ersten Betriebsart betrieben wird, die zweite Pumpe (112) außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der ersten Pumpe (110) umgewälzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine (102) ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Kühlanordnung (100) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, die erste Pumpe (110) außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der zweiten Pumpe (112) umgewälzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine (102) ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Kühlanordnung (100) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, die zweite Pumpe (112) außer Betrieb geschaltet ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der ersten Pumpe (110) umgewälzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine (102) vorübergehend außer Betrieb gesetzt ist, die Kühlanordnung (100) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, die erste Pumpe (110) nicht angetrieben ist und das Wärmeübertragungsmittel mittels der zweiten Pumpe (112) umgewälzt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Kühlanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem sechsten Betriebszustand, in dem die Brennkraftmaschine (102) ihre Betriebstemperatur erreicht hat, die Kühlanordnung (100) in der zweiten Betriebsart betrieben wird, das Wärmeübertragungsmittel sowohl mittels der ersten Pumpe (110) als auch mittels der zweite Pumpen (112) umgewälzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–12 zum Betreiben einer Kühlanordnung (100), dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten und dritten Betriebszustand der Heizungs-Wärmetauscher (126) in der ersten Durchströmungsrichtung durchströmt wird und im ersten und vierten Betriebszustand der Heizungs-Wärmetauscher (126) in der zweiten Durchströmungsrichtung durchströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–12 zum Betreiben einer Kühlanordnung (100), dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsart der Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher (128) das Getriebeöl kühlt und in einer zweiten Betriebsart der Wärmeübertragungsmittel-Getriebeöl-Wärmetauscher (128) das Getriebeöl erwärmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–12 zum Betreiben einer Kühlanordnung (100), dadurch gekennzeichnet, dass unabhängig vom weiteren Betriebszustand der Kühlanordnung (100) eine Pumpe (110, 112) bei einem Defekt der anderen Pumpe (112, 110) zumindest vorübergehend die Umwälzung des Wärmeübertragungsmittels übernimmt.