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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer ein Split-Kühlsystem umfassenden Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung und einem Split-Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3.
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Aus der
DE 10 2010 002 082 A1 ist ein separat gekühlter Abgassammler zur Aufrechterhaltung einer no-flow Strategie des Zylinderblockkühlmittelmantels bekannt. Der Abgassammler weist einen von dem Zylinderblockkühlmittelmantel getrennten Abgassammlerkühlkreislauf auf. Beide weisen eine gemeinsame Pumpe auf.
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Die
DE 101 27 219 A1 betrifft eine Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei Zylinderreihen, insbesondere für einen V-Motor, mit einem Kühlmittelkühler und mit einem Thermostatventil zum Einstellen der von Kühlmittelauslässen der Zylinderreihen durch den Kühlmittelkühler hindurch oder durch einen den Kühlmittelkühler umgehenden Bypass hindurch zu Kühlmitteleinlässen der Zylinderreihe zurückströmenden Kühlmittelmengen. Der Kühlmittelauslass einer Zylinderreihe ist direkt mit einem Eintritt des Kühlmittelkühlers verbunden, der Kühlmittelauslass einer anderen Zylinderreihe ist direkt mit einem Kurzschlusseintritt des Thermostatventils verbunden und eine Zwischenleitung ist zwischen dem Kurzschlusseintritt des Thermostatventils und dem Eintritt des Kühlmittelkühlers angeordnet.
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Brennkraftmaschinen weisen die Eigenart auf, dass deren effiziente Nutzung des Kraftstoffs erst ab Erreichen ihrer jeweiligen Betriebstemperatur gegeben ist. Dies hängt im Wesentlichen mit der im Kaltstart besonders bei niedriger Umgebungstemperatur erhöhten Reibung der beweglichen Teile zusammen. Hinzu kommt die erhöhte Viskosität des kalten Motoröls, welche sich ebenfalls erst mit steigender Temperatur verringert. Des Weiteren sind auch die immer bedeutender werdenden Abgaswerte von Brennkraftmaschine in der Kaltstartphase erhöht, was insbesondere auf die sich erst mit steigender Aufheizung zunehmende Effektivität der im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie z.B. einem Katalysator zurückzuführen ist.
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Aus den vorgenannten Gründen gehen die Bestrebungen in der Weiterentwicklung von Brennkraftmaschinen dahin, deren möglichst rasche Erwärmung insbesondere aus dem Kaltstart heraus zu erreichen. Auf der anderen Seite müssen Brennkraftmaschinen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs betrieben werden. Um diesen nach oben hin einzuhalten, sind entsprechende Kühlmaßnahmen erforderlich. Luftgekühlte Brennkraftmaschinen weisen hierzu Flächenbereiche mit einer zumeist rippenartigen Außenstruktur auf, um über die so vergrößerte Oberfläche einen Teil der Betriebswärme an die Umgebungsluft abzugeben. Demgegenüber nimmt das bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen den Motorblock und den Zylinderkopf umspülende Kühlmittel einen großen Teil der entstehenden Abwärme auf. Hierfür sind zumeist in der Gehäusewand der Brennkraftmaschine angeordnete Kanäle vorgesehen, welche zusammen mit dem diese durchlaufenden Kühlmittel einen sogenannten Kühlmittelmantel bilden.
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Um eine Überhitzen des Kühlmittels zu verhindern, wird dieses anschließend über zumindest einen in sich geschlossenen Kühlkreislauf durch eine geeignete Kühleranordnung geleitet. Dabei wird zumindest ein Teil der von dem Kühlmittel aufgenommenen Wärme über die gewöhnlich wenigstens einen Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher umfassende Kühleranordnung an die Umgebungsluft abgegeben.
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Seit der Einführung der Wasserkühlung ist bekannt, derartige Motorkühlsysteme auch mit einem Fahrzeugheizsystem zu kombinieren. Auf diese Weise kann die ohnehin anstehende Wärme aus dem Kühlmittel auch für die von äußeren Einwirkungen unabhängige Erwärmung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden. Hierzu wird eine zumindest einen als Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeten Heizwärmetauscher umfassende Heizanordnung in den Kühlkreislauf integriert. Der Betrieb des Fahrzeugheizsystems sieht vor, dass Luft von außen und/oder aus dem Innenraum des Fahrzeugs angesaugt und an dem Heizwärmetauscher vorbei oder durch diesen hindurch geführt wird. Dabei nimmt die Luft einen Teil der Wärmeenergie auf, bevor sie in den Innenraum des Fahrzeugs geleitet wird.
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Neben dem so erhöhten Komfort kommen Fahrzeugheizsystemen aber auch sicherheitsrelevante Aufgaben zu. Allem voran steht hier die klare Sicht durch die verglasten Teile des Fahrzeugs im Vordergrund. So führen beispielsweise niedrige Außentemperaturen dazu, dass sich der im Innenraum befindliche Wasserdampf auf den Scheiben niederschlägt. In der Folge können diese dann beschlagen oder gar vereist sein, wodurch sich die Sicht trübt bis gänzlich verhindert ist.
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Im Stand der Technik sind bereits diverse Ausgestaltungen von Motorkühlsystemen in Kombination mit Fahrzeugheizsystemen bekannt. Diese sehen teilweise eine strömungslose Strategie vor, welche auch als "No-Flow-Strategie" bezeichnet wird. Bei einfachen Systemen wird dabei die Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine insbesondere während der Kaltstartphase unterbunden, wodurch sich eine verbesserte, da schnellere Motorerwärmung ergibt. Derartige Strategien eignen sich allerdings nicht für mit Kühlmittel betriebene Fahrzeugheizsysteme, welche bei einer typischerweise bereits in der Kaltstartphase aufkommenden Heizanforderung einen Zufluss an erwärmtem Kühlmittel erfordern, was wiederum eine direkte Aufgabe der No-Flow-Strategie erfordert.
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Um die an sich vorteilhafte No-Flow-Strategie auch in Verbindung mit einen Kühlmittelfluss benötigenden Fahrzeugheizsystemen anwenden zu können, haben sich Kompromisslösungen in Form sogenannter Split-Kühlsysteme etabliert. Diese sehen eine Trennung des Kühlkreislaufs vor. Dabei kann der Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine in einen Teil für den Motorblock und in einen Teil für den Zylinderkopf aufgetrennt sein. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, den Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes direkt ab Start der Brennkraftmaschine mit strömendem Kühlmittel zu beaufschlagen, während der Kühlmittelstrom zum Kühlmittelmantel des Motorblocks in vorteilhafter Weise noch gesperrt ist (No-Flow-Strategie).
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Da der die Auslässe für das Abgas beinhaltende Zylinderkopf ohnehin die schnellste Erwärmung erfährt, kann der über diesen erwärmte Teil des Kühlmittels bereits für das Fahrzeugheizsystem genutzt werden. Demgegenüber trägt der gesperrte Teil des Kühlmittelmantels dazu bei, dass sich der Motorblock schneller erwärmen kann, ohne die hierfür benötigte Wärmeenergie in Teilen an das ansonsten strömende Kühlmittel zu verlieren.
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Ein weiterer Ansatz zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei mehrere Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschinen wird in der Deaktivierung wenigstens eines dieser Zylinder gesehen. Die Abschaltung einzelner Zylinder ist auch als "dynamisches Downsizing" bekannt. Die Deaktivierung eines oder mehrerer Zylinder kann primär im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgenommen werden, in dem nur ein entsprechend niedriger Leistungsbedarf abgefragt wird. Die Art der Abschaltung erfolgt auf Basis des jeweiligen Typs der Brennkraftmaschine. Neben einer Einzelzylinderabschaltung kann diese insbesondere bei V-Motoren auch als Deaktivierung einer kompletten Zylinderbank erfolgen.
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Derartige Systeme sind beispielsweise aus der
US 7,966,978 B2 und der
DE 10 2008 030 422 A1 bekannt. Diese beschäftigen sich mit dem bei einer Zylinderabschaltung mitunter auftretenden Problem einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Brennkraftmaschine. Dieses kann beispielsweise bei über einen längeren Zeitraum abgeschalteten einzelnen Zylindern auftreten und sich bei der anschließenden Aktivierung der dann kalten Zylinder als nachteilig erweisen. Dabei wird vorgeschlagen, die für eine mögliche Deaktivierung vorgesehenen Zylinder und die für einen durchgehenden Betrieb vorgesehenen Zylinder derart voneinander zu trennen, dass diese mit voneinander separierten Kühlwassermänteln gekühlt werden. Konkret wird eine Brennkraftmaschine in Form eines V-Motors aufgezeigt, deren erste Zylinderbank für einen daueraktiven und deren zweite Zylinderbank für einen deaktivierbaren Betrieb vorgesehen ist. Beide Zylinderbänke werden von unterschiedlichen Kühlwassermänteln umgeben, wobei im deaktivierten Zustand der zweiten Zylinderbank nur der Kühlwassermantel der ersten Zylinderbank mit Kühlmittel durchströmt wird.
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Die Kühlwassermäntel der beiden Zylinderbänke erstrecken sich dabei sowohl um den die Zylinder enthaltenen Bereich des zugehörigen Motorblocks als auch um den zugehörigen Zylinderkopf der jeweiligen Zylinderbank.
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Um die notwendige Trennung zwischen den Kühlwassermänteln der beiden Zylinderbänke zu gewährleisten, ist ein Bypass vorgesehen, welcher das Kühlmittel aus dem Kühlwassermantel der ersten Zylinderbank an der zweiten Zylinderbank vorbei durch das Kühlsystem zirkulieren lässt. Auf diese Weise wird auch eine schnellere Erwärmung der ersten Zylinderbank erreicht. Sofern die Abschaltung der zweiten Zylinderbank im laufenden Betrieb erfolgt, wird bei deren zu starkem Abkühlen der Bypass geschlossen, so dass das warme Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel der aktivierten ersten Zylinderbank direkt in den Kühlmittelmantel der abgeschalteten zweiten Zylinderbank einströmt und von dort aus weiter zirkuliert. Hierdurch wird eine möglichst gleichbleibende Temperaturverteilung auch bei deaktivierter zweiten Zylinderbank erreicht.
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Der Zylinderabschaltung liegt der Kerngedanke zugrunde, dass der oder die dann noch aktive/n Zylinder mit einer höheren Belastung betrieben wird/werden. Ein solcher Betrieb geht mit einem verbesserten Kraftstoffverbrauch einher, wobei insbesondere höhere Zylinder- und/oder Abgastemperaturen erreicht werden.
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Die
US 2010/0 251 977 A1 offenbart ein Kühlsystem eines variablen Verbrennungsmotors. Dabei werden inaktive Zylinder geheizt, so dass die Kraftstoffeffektivität bei Reaktivierung verbessert ist, und so dass die optimale Betriebstemperatur des Katalysators aufrechterhalten wird. Ähnliches geht aus der Zusammenfassung der
JP2013-87758 A hervor, wobei ein sofortiges Strömen von Kühlmittel unterbunden wird, wenn der inaktive Zylinder aktiviert wird.
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Aus der
JP 2014/015898 A ist ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit abschaltbaren Zylindern bekannt. Die notwendige Kühlung deren in den einzelnen Zylindern angeordneter Kolben erfolgt durch einen Ölstrahl-Mechanismus. Sofern insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine einer oder mehrere Zylinder abgeschaltet werden, erfolgt gleichzeitig die Unterbrechung der Ölzufuhr zu dem oder den abgeschalteten Zylinder/n. Auf diese Weise soll eine zu starke Abkühlung der oder des noch aktiven Zylinder/s verhindert werden, da ansonsten ein Teil der Wärme aus dem Motoröl über die Bereiche der Brennkraftmaschine um den oder die inaktiven Zylinder verloren geht.
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Die Abschaltung eines oder einzelner Zylinder/s in Kombination mit einer gestoppten Beaufschlagung der oder des abgeschalteten Zylinder/s erlaubt einen überaus ökologischen und ökonomischen Betrieb von Brennkraftmaschinen. Insbesondere die Reduzierung der aufzuwärmenden Masse durch die in den abgeschalteten Phasen nicht mit Kühlmittel durchströmten Teilen ermöglicht eine rasche Erwärmung der relevanten da aktiven Bereiche aus dem Kaltstart heraus.
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Gleichwohl erscheint eine komplette Abschaltung der Kühlung von Motorblock und Zylinderkopf nicht sinnvoll, da hohe Temperaturen besonders im Motorblock eine vorteilhafte Reduzierung der Reibung bewirken. Die hierfür notwendige Erwärmung in der Kaltstartphase gelingt größtenteils durch das zirkulierende Kühlmittel, welches die schnellere Erwärmung der Brennräume innerhalb des Zylinderkopfes so zumindest teilweise an den Motorblock abgeben kann. Um eine raschere insbesondere gezieltere Erwärmung von Brennkraftmaschinen zu erreichen, bieten die bisher bekannten Ausgestaltungen und Maßnahmen insofern durchaus noch Raum für Verbesserungen.
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Im weiteren Verlauf wird die zuvor aufgezeigte Kombination aus Motorkühl- und Fahrzeugheizsystemen aus Vereinfachungsgründen allgemein als Split-Kühlsystem bezeichnet, welches insofern beide Systeme in sich vereint.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Split-Kühlsystem und der Möglichkeit zur Zylinderabschaltung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die jeweils aktiven Brennräume insbesondere aus der Kaltstartphase heraus rascher erwärmt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale und Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und damit weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
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Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer ein Split-Kühlsystem aufweisenden Brennkraftmaschine aufgezeigt, wobei die Brennkraftmaschine sich zur Verwendung im Zusammenhang mit einem Kraftfahrzeug eignet.
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Die Brennkraftmaschine weist in typischer Weise einen Motorblock und einen Zylinderkopf auf. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine wenigstens zwei Zylinder. Besonders bevorzugt sind die Zylinder innerhalb des Motorblocks ausgebildet, wobei sie nach oben hin von dem Zylinderkopf begrenzt sind, in welchem die Brennräume angeordnet sind. Wenigstens einer der Zylinder kann im Betrieb der Brennkraftmaschine abgeschaltet werden.
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Die beiden Teilkreisläufe können bevorzugt mit einem die Brennkraftmaschine umgebenden Kühlmittelmantel in Verbindung stehen. In jedem Fall setzt sich der Kühlmittelmantel aus mindestens zwei baulich voneinander getrennten Kühlmittelmänteln zusammen. Näherhin ist einer dieser beiden Kühlmittelmäntel als Zylinderkopf-Kühlmittelmantel an bzw. um den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet. Demgegenüber ist der andere Kühlmittelmantel als Motorblock-Kühlmittelmantel an bzw. um den Motorblock der Brennkraftmaschine gelegen. Der Zylinderkopf-Kühlmittelmantel und der Motorblock-Kühlmittelmantel sind fluidleitend voneinander trennbar.
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Denkbar wäre auch eine Anordnung des Split-Kühlsystems, indem der Motorblock-Kühlmittelmantel zusätzlich einen geringen Teil des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels mit beinhaltet.
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In dieser Anordnung kann in vorteilhafter Weise ein Regelmittel vorgesehen sein, welches fluidleitend mit dem Kühlkreislauf des Split-Kühlsystems verbunden ist. In seiner Anordnung ist das Regelmittel dann dazu ausgebildet, die Kühlkreisläufe in gewünschter Weise und Stärke unabhängig voneinander sowohl zu öffnen als auch zu schließen. So kann beispielsweise ein Strömen des Kühlmittels innerhalb des Motorblock-Kühlmittelmantels vollständig durch das Regelmittel unterbunden werden. Dies im Übrigen unabhängig von dem Zylinderkopf-Kühlmittelmantel, so dass dieser trotz gesperrtem Motorblock-Kühlmittelmantel auch weiterhin mit Kühlmittel durchströmbar sein kann.
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Erfindungsgemäß ist nun eine Aufteilung des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels derart vorgesehen, dass dieser in wenigstens zwei fluidleitend voneinander trennbare Teilbereiche aufgegliedert wird. Besagte Teilbereiche sind dabei sowohl voneinander als auch von dem Motorblock-Kühlmittelmantel entsprechend fluidleitend trennbar. Dabei ist jeder einzelne Teilbereich des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels jeweils einem der Zylinder zugeordnet. Mit anderen Worten ist jeder einzelne Teilbereich dazu vorgesehen, den jeweiligen Bereich des den zugehörigen Zylinder nach oben hin begrenzenden Zylinderkopfes mit Kühlmittel zu beaufschlagen.
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Hiernach ist es nun möglich, im Betrieb der Brennkraftmaschine beispielsweise einen der Zylinder abzuschalten, wobei dann nur der dem oder den eingeschalteten und somit aktiven Zylinder/n zugehörige Teilbereich/e des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels mit zur Kühlung vorgesehenem Kühlmittel durchströmt wird.
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So können beispielsweise zwei einer vier Zylinder aufweisenden Brennkraftmaschine abgeschaltet werden, wobei nur die den noch aktiven Zylindern zugehörigen Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels mit Kühlmittel durchströmt werden. Demgegenüber werden die den abgeschalteten und somit inaktiven Zylindern zugehörigen Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels nicht mit Kühlmittel durchströmt. Im Ergebnis wird so die aufzuwärmende thermische Masse der Brennkraftmaschine auf ein Minimum reduziert, wodurch insbesondere die aktiven Zylinder deutlich schneller erwärmt werden können. Auf diese Weise erfahren die jeweils aktiven Brennräume insbesondere aus der Kaltstartphase heraus einen rascheren Anstieg der Temperatur.
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Hierbei ist vorgesehen, dass die Ströme des Kühlmittels aus Motorblock-Kühlmittelmantel und Zylinderkopf-Kühlmittelmantel durchmischt werden, so dass es zu einer Wärmeübertragung und damit zu einer Wärmeverteilung innerhalb der Brennkraftmaschine kommt. Eine derartige Maßnahme ist insbesondere in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine vorteilhaft. So kann die innerhalb kürzester Zeit im Zylinderkopf-Kühlmittelmantel anstehende hohe Temperatur genutzt werden, um die so vorhandene Wärme an den Motorblock-Kühlmittelmantel weiterzugeben.
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Der sich hieraus ergebende Vorteil liegt in einem schnelleren Anstieg der Abgastemperatur aus den aktiven Brennräumen heraus und einem damit einhergehenden schnelleren Anspringen der Katalysatoranordnung. Hierdurch können bereits kurz nach dem Start der Brennkraftmaschine deutlich bessere Abgaswerte erzielt werden. Darüber hinaus erfolgt eine verbesserte Verbrennung des Kraftstoffs, was ebenfalls zu einer Reduzierung der Emissionen durch die Abgase führt.
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Insgesamt ist so die aufzuwärmende thermische Masse der Brennkraftmaschine um den oder die Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels der bzw. des inaktiven Zylinder/s in vorteilhafter Weise reduziert, während der Motorblock durch das über die befeuerten Zylinder aufgeheizte Kühlmittel und dessen Zirkulation mit erwärmt werden kann. Hierdurch kann das Kühlmittel schneller erwärmt werden, welches anschließend zur raschen Erwärmung des Motorblocks genutzt werden kann, woraus sich entsprechende Reibungsvorteile innerhalb des Motorblocks ergeben.
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Möglich ist, dass das im Motorblock-Kühlmittelmantel befindliche Kühlmittel strömungslos gehalten werden kann, während der dem wenigstens einen aktiven Zylinder zugeordnete Teilbereich des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels mit Kühlmittel durchströmt werden kann. Sofern mehr als ein Zylinder aktiv, also eingeschaltet sind, können folglich die den aktiven Zylindern zugeordneten Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels entsprechend mit Kühlmittel durchströmt werden, während das im Motorblock-Kühlmittelmantel befindliche Kühlmittel ebenfalls strömungslos gehalten wird.
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So könnte die aufzuwärmende thermische Masse auf ein Minimum reduziert und der Wärmeübergang im Motorblock von den inneren reibungsrelevanten Stellen in die äußere Struktur stark verringert werden, wobei dies z.B. für die Startphase der Brennkraftmaschine insbesondere aus dem Kaltstart heraus geeignet sein könnte. Gleichzeitig könnte die aufzuwärmende thermische Masse weiter reduziert sein, indem die inaktiven, also nicht gefeuerten Zylinder ebenfalls nicht mit Kühlmittel beaufschlagt werden. Hiernach könnte das Kühlmittel tatsächlich lediglich durch den dem eingeschalteten Zylinder zugeordneten Teilbereich oder durch die den eingeschalteten Zylindern zugeordneten Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels strömen, während die restlichen Teile des Kühlmittelmantels der Brennkraftmaschine strömungslos gehalten werden.
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Alternativ könnte eine Maßnahme vorgesehen werden, welche die Beaufschlagung des Motorblocks mit einer Kühlmittelströmung mit einschließt. So würde in einer anderen Phase des Betriebs der Brennkraftmaschine auch der Motorblock mit Kühlmittel durchströmt werden können, während der wenigstens eine dem mindestens einen aktiven Zylinder zugehörige Teilbereich des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels ebenfalls mit Kühlmittel durchströmt würde. Mit anderen Worten könnte so der gesamte Kühlmittelmantel der Brennkraftmaschine mit Kühlmittel durchströmt werden, mit Ausnahme des Teilbereichs oder der Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels welcher bzw. welche dem oder den inaktiven, also abgeschalteten Zylindern zugeordnet ist bzw. sind.
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Je nach Leitung des Kühlmittels könnte so das Kühlmittel des Motorblock-Kühlmittelmantels beispielsweise nur in diesem oder innerhalb eines kleinen geschlossenen Kreislaufs zirkulieren, wobei es zu keiner Durchmischung mit dem Kühlmittel des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels kommen muss. Mit anderen Worten können so Motorblock-Kühlmittelmantel und zumindest ein oder mehrere Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels getrennt voneinander mit Kühlmittel durchströmt werden, wobei es zu keinerlei Wärmeaustausch zwischen diesen kommt.
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Alternativ hierzu könnten die Ströme des Kühlmittels aus Motorblock-Kühlmittelmantel und Zylinderkopf-Kühlmittelmantel auch durchmischt werden, so dass es zu einer Wärmeübertragung und damit zu einer Wärmeverteilung innerhalb der Brennkraftmaschine kommt. Eine derartige Maßnahme könnte beispielsweise in einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine bevorzugt sein. Dies wäre insbesondere dann von Vorteil, wenn im Zylinderkopf-Kühlmittelmantel bereits eine ausreichend hohe Temperatur erreicht ist und Wärme so an den Motorblock-Kühlmittelmantel weitergegeben werden kann. Dabei ist die aufzuwärmende thermische Masse der Brennkraftmaschine um den oder die Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels der bzw. des inaktiven Zylinder/s in vorteilhafter Weise reduziert, während der Motorblock durch das über die befeuerten Zylinder aufgeheizte Kühlmittel und dessen Zirkulation mit erwärmt werden kann. Hierdurch kann das Kühlmittel schneller erwärmt werden, welches anschließend zur raschen Erwärmung des Motorblocks genutzt werden kann, woraus sich entsprechende Reibungsvorteile innerhalb des Motorblocks ergeben.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des grundsätzlichen Erfindungsgedanken kann das über wenigstens einen befeuerten Zylinder erwärmte Kühlmittel dazu genutzt werden, mindestens einen der nicht aktiven Zylinder insbesondere in dem ihn nach oben begrenzenden Teil des Zylinderkopfes mit aufzuwärmen und/oder dessen Temperatur zu halten. So kann das einen oder mehrere Teilbereiche des oder der aktiven Zylinder durchströmende Kühlmittel anschließend durch einen oder mehrere Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels von inaktiven Zylindern geleitet werden, um die zuvor aufgenommene Wärmeenergie zumindest teilweise an die nicht befeuerten Zylinder abzugeben. Im Ergebnis wird so eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Zylinderkopfes erreicht. Eine derartige Maßnahme eignet sich insbesondere für solche Phasen, in denen die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat und daraufhin überschüssige Wärmeenergie anfällt.
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Insbesondere in Phasen, in denen eine höhere bzw. hohe Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine gestellt wird, ist vorgesehen, dass alle vorhandenen Zylinder eingeschaltet und somit aktiviert werden. Während dieser Phase wird es als vorteilhaft angesehen, wenn sämtliche Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels mit Kühlmittel durchströmt werden. Gleichzeitig kann bevorzugt auch der Motorblock-Kühlmittelmantel mit Kühlmittel durchströmt werden. Die vorliegende Erfindung zeigt ein weiterentwickeltes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Zylinderabschaltung, indem das Split-Kühlsystem in vorteilhafter Weise aufgeteilt und die Kühlmittelströme gezielt eingesetzt werden.
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Insbesondere die Gliederung des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels in einzelne voneinander unabhängige Teilbereiche ermöglicht es, nur den oder die jeweils befeuerten, aktiven Zylinder im Bereich des Zylinderkopfes mit Kühlmittel zu durchströmen, während der oder die restlichen Teilbereiche der inaktiven Zylinder von der aufzuwärmenden thermischen Masse quasi entkoppelt werden. Hierdurch wird eine überaus rasche Erwärmung der aktiven Bereiche der Brennkraftmaschine erreicht, was sich insbesondere in verbesserten Emissionswerten erkennen lässt.
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Die Erfindung ist auch auf eine Brennkraftmaschine mit einem Split-Kühlsystem gerichtet. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine zur Durchführung des zuvor aufgezeigten erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Weiterhin ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Hier kann insbesondere das Split-Kühlsystem dazu dienen, sowohl die Brennkraftmaschine zu kühlen als auch den Fahrzeuginnenraum zu heizen.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst einen Motorblock und einen Zylinderkopf, wobei der Motorblock einen Motorblock-Kühlmittelmantel und der Zylinderkopf einen Zylinderkopf-Kühlmittelmantel aufweist. Motorblock-Kühlmittelmantel und Zylinderkopf-Kühlmittelmantel sind dabei derart aufgebaut, dass diese voneinander fluidleitend trennbar sind. Weiterhin umfasst die Brennkraftmaschine wenigstens zwei Zylinder, von denen wenigstens einer im Betrieb der Brennkraftmaschine abschaltbar ist. Erfindungsgemäß ist der Zylinderkopf-Kühlmittelmantel in wenigstens zwei separate Teilbereiche aufgeteilt, welche sowohl voneinander als auch von dem Motorblock-Kühlmittelmantel fluidleitend trennbar sind. Dabei ist jeder Teilbereich des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels jeweils einem der Zylinder zugeordnet. Weiterhin ist das Split-Kühlsystem derart ausgestaltet, dass der Motorblock-Kühlmittelmantel mit dem/den Teilbereich/e des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels des/der jeweils eingeschalteten Zylinder/s fluidleitend verbunden ist.
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Die sich hieraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Rahmen des zuvor vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, so dass an dieser Stelle auf die entsprechenden Ausführungen innerhalb der vorliegenden Beschreibung verwiesen wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in der nachfolgenden 1 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einem Split-Kühlsystem 2, welche eine nicht näher gezeigte Möglichkeit zur Zylinderabschaltung besitzt.
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Wie zu erkennen, umfasst die Brennkraftmaschine 1 einen mit Bezug auf die Darstellung von 1 in der Zeichnungsebene unten angeordneten Motorblock 3 sowie einen in der Zeichnungsebene oberhalb des Motorblocks 3 angeordneten und mit diesem verbundenen Zylinderkopf 4. Innerhalb der Brennkraftmaschine 1 sind einzelne Zylinder 5–8 ausgebildet, welche nach oben hin durch den Zylinderkopf 4 begrenzt sind.
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Der Motorblock 3 umfasst einen mit dem Split-Kühlsystem 2 fluidleitend verbundenen Motorblock-Kühlmittelmantel 9. Demgegenüber weist der Zylinderkopf 4 einen ebenfalls mit dem Split-Kühlsystem 2 fluidleitend verbundenen Zylinderkopf-Kühlmittelmantel 10 auf. Der Motorblock-Kühlmittelmantel 9 und der Zylinderkopf-Kühlmittelmantel 10 sind baulich derart voneinander getrennt, dass diese voneinander unabhängig mit nicht näher gezeigtem, innerhalb des Split-Kühlsystem 2 angeordnetem Kühlmittel durchströmt werden können. Hierzu weist das Split-Kühlsystem 2 eine Pumpenanordnung 11 auf, durch welche eine Zirkulation des Kühlmittels ermöglicht ist. Die hierbei mögliche Richtung hinsichtlich der Strömung des Kühlmittels wird durch eine Pfeildarstellung der einzelnen Leitungen des Split-Kühlsystems 2 näher verdeutlicht.
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Der Motorblock 3 weist eine Eingangsseite A und eine der Eingangsseite A gegenüberliegende Ausgangsseite B auf. Über die Eingangsseite A kann Kühlmittel aus dem Split-Kühlsystem 2 durch den Motorblock-Kühlmittelmantel 9 hindurch hin zu der Ausgangsseite B strömen, von wo aus es wieder in das Split-Kühlsystem 2 gelangt. Auf seinem Weg durch den Motorblock-Kühlmittelmantel 9 umspült das Kühlmittel die einzelnen Zylinder 5–8 zumindest bereichsweise derart, dass von den Zylindern 5–8 ausgehende Wärmeenergie von dem Kühlmittel aufgenommen und/oder aber im Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie an jene, die einzelnen Zylinder 5–8 seitlich begrenzenden Bereiche des Motorblocks 3 abgegeben werden kann. Mit anderen Worten dient hierbei das Kühlmittel primär zur Kühlung des Motorblocks 3 oder zu dessen Erwärmung durch entsprechend heißeres Kühlmittel.
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Mit Blick auf den Zylinderkopf 4 wird deutlich, dass dessen Zylinderkopf-Kühlmittelmantel 10 in einzelne Teilbereiche 12, 13a, 13b, 14 aufgeteilt ist, welche baulich und somit fluidleitend voneinander getrennt sind. Dies wird in 1 durch die unterbrochen dargestellten senkrechten Striche im Bereich des Zylinderkopfes 4 näher verdeutlicht.
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Vorliegend weist der Zylinderkopf-Kühlmittelmantel 10 vier Teilbereiche 12, 13a, 13b, 14 auf, von denen ein erster Teilbereich 12 einem ersten Zylinder 5 und ein vierter Teilbereich 14 einem vierten Zylinder 8 zugeordnet ist. Demgegenüber sind zwei zwischen dem ersten und vierten Teilbereich 12, 14 gelegene Teilbereiche 13a, 13b in Form eines zweiten Teilbereichs 13a und eines dritten Teilbereichs 13b sowohl einem zweiten Zylinder 6 als auch einem dritten Zylinder 7 zugeordnet. Konkret ist hierbei der zweite Teilbereich 13a dem zweiten Zylinder 6 und der dritte Teilbereich 13b dem dritten Zylinder 7 zugeordnet.
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Ersichtlich sind der erste Teilbereich 12 und der vierte Teilbereich 14 über eine gemeinsame Zufuhrleitung 15 des Split-Kühlsystems 2 fluidleitend miteinander verbunden, wohingegen die mittleren zweiten und dritten Teilbereiche 13a, 13b über je eine Stichleitung 16, 17 mit einem Leitungsabschnitt 18 des Split-Kühlsystem 2 fluidleitend verbunden ist. Die Ausleitung des Kühlmittels aus den jeweiligen Teilbereiche 12–14 erfolgt über Ableitungen 19, 20, von denen eine erste Ableitung 19 mit den beiden mittleren zweiten und dritten Teilbereichen 13a, 13b und eine zweite Ableitung 20 mit den beiden äußeren Teilbereichen 12, 14; näherhin mit dem ersten und dem vierten Teilbereich 12, 14 in nicht näher gezeigter Weise fluidleitend verbunden sind. Besagte Ableitungen 19, 20 stehen mit dem Split-Kühlsystem 2 in fluidleitender Verbindung, so dass das den Zylinderkopf 4 durchlaufende Kühlmittel wieder in das Split-Kühlsystem 2 im Sinne eines geschlossenen Kreislaufs eingeleitet werden kann.
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Weiterhin ist die Zufuhrleitung 15 über eine Schaltanordnung 21 mit dem Leitungsabschnitt 18 fluidleitend verbunden. Bei der Schaltanordnung 21 kann es sich beispielsweise um ein Schaltventil handeln. Die Schaltanordnung 21 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit ihrer Schaltstellung ein Strömen des Kühlmittels in die Zufuhrleitung 15 hinein zumindest teilweise zu unterbinden. Bevorzugt kann die Zufuhrleitung 15 über die Schaltanordnung 21 insbesondere im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 vollständig strömungslos geschaltet werden.
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Durch diese beispielhafte Ausgestaltung ist es nun möglich, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nur die beiden mittleren zweiten und dritten Teilbereiche 13a, 13b des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels 10 über die beiden Stichleitungen 16, 17 gemeinsam mit Kühlmittel beaufschlagt werden, während der erste und vierte Teilbereich 12, 14 gemeinsam mit stehendem und somit nicht strömendem Kühlmittel in Kontakt stehen. Eine solche Maßnahme wird bevorzugt dann vorgenommen, wenn in dem hier gezeigten Fall die beiden äußeren Zylinder 5, 8, also der erste und vierte Zylinder 5, 8 der Brennkraftmaschine 1 abgeschaltet sind, während die beiden mittleren Zylinder 6, 7, näherhin der zweite und dritte Zylinder 6, 7 eingeschaltet und somit aktiv sind.
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Aktiv bzw. eingeschaltet meint hierbei, dass in den besagten Zylindern 6, 7 entsprechende Verbrennungsprozesse ablaufen.
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Dabei kann dann der Fluss des Kühlmittels derart über die Schaltanordnung 21 geregelt werden, dass das Kühlmittel über die Stichleitungen 16, 17 die mittleren zweiten und dritten Teilbereiche 13a, 13b des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels 10 durchströmt und diese über die erste Ableitung 19 verlässt. Hierdurch können die mittleren Zylinder 6, 7; näherhin der zweite und dritte Zylinder 6, 7 ebenfalls in den zugehörigen Bereichen des Zylinderkopfes 4 gekühlt werden.
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Demgegenüber kann die zuvor beschriebene Schaltstellung der Schaltanordnung 21 auch dafür genutzt werden, die noch inaktiven also abgeschalteten äußeren Zylinder; näherhin den ersten und vierten Zylinder 5, 8 über zuvor erwärmtes Kühlmittel ebenfalls zu erwärmen und/oder auf Betriebstemperatur zu halten.
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Natürlich können auch alle Teilbereiche des Zylinderkopf-Kühlmittelmantels mit Kühlmittel durchströmt werden, wenn alle Zylinder aktiv sind, wobei die Schaltanordnung 21 entsprechend durchgängig zum Leitungsabschnitt 18 geschaltet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Split-Kühlsystem von 1
- 3
- Motorblock von 1
- 4
- Zylinderkopf von 1
- 5
- erster Zylinder von 1
- 6
- zweiter Zylinder von 1
- 7
- dritter Zylinder von 1
- 8
- vierter Zylinder von 1
- 9
- Motorblock-Kühlmittelmantel von 3
- 10
- Zylinderkopf-Kühlmittelmantel von 4
- 11
- Pumpenanordnung von 1
- 12
- erster Teilbereich von 10
- 13a
- zweiter Teilbereich von 10
- 13b
- dritter Teilbereich von 10
- 14
- vierter Teilbereich von 10
- 15
- Zufuhrleitung von 2
- 16
- erste Stichleitung von 2
- 17
- zweite Stichleitung von 2
- 18
- Leitungsabschnitt von 2
- 19
- erste Ableitung von 2
- 20
- zweite Ableitung von 2
- 21
- Schaltanordnung von 2
