DE19621675A1 - Kühlmittelkreislauf mit regelbarem Thermostatventil und Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem den Kühlmittelstrom durch einen Kühler steuernden Thermostatventil, dessen Re­ geltemperatur zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert veränderbar ist, sowie mit einem wahlweise durchströmbaren Wärmespeicher. Ein Thermostat­ ventil, dessen Regeltemperatur zwischen einem Minimalwert und einem Maximal­ wert veränderbar ist und das auch als regelbares Thermostatventil bezeichnet wer­ den kann, ist beispielsweise in der DE 42 33 013 A1 gezeigt, während ein Kühl­ mittelkreislauf mit einem nichtregelbaren Thermostatventil sowie einem wahlweise durchströmbaren Wärmespeicher aus der EP 0340 621 A2 bekannt ist.

Der aus der letztgenannten Schrift bekannte Brennkraftmaschinen-Kühlmittelkreis­ lauf, der auch zur Beheizung eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges herangezogen wird, hat aufgrund des Wärmespeichers, der ins­ besondere als Latentwärmespeicher ausgebildet sein kann, immense Vorteile. Mit der im Wärmespeicher gespeicherten Wärmemenge läßt sich nämlich nicht nur das Fahrzeug vorheizen bzw. anschließend an einen Kaltstart die Brennkraftma­ schine schneller beheizen, sondern es kann auch die Kühlmitteltemperatur und somit die Brennkraftmaschine anschließend an einen Kaltstart schneller auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden. Dies hat einen niedrigeren Kraftstoffver­ brauch sowie verringerte Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine zur Folge. In die gleiche Richtung zielt der Einsatz eines den Kühlmittelstrom durch einen Kühler steuernden Thermostatventiles, dessen Regeltemperatur veränderbar ist. Während in hohen Lastpunkten oder Lastbereichen der Brennkraftmaschine mit üblichen Kühlmitteltemperaturen von beispielsweise 85°C gefahren wird, kann bei Niederlastbetrieb durch entsprechend verringerte Rückkühlung des Kühlmittels im Kühler eine höhere Kühlmitteltemperatur eingestellt werden, unter anderem des­ halb, weil in diesen niedrigen Lastpunkten bzw. Lastbereichen die Klopfgrenze im Hinblick auf die Zündwinkel der fremdgezündeten Brennkraftmaschine nicht be­ rücksichtigt werden muß. Eine höhere Kühlmitteltemperatur, die in höheren Lastpunkten der Brennkraftmaschine beispielsweise wegen der Klopfgrenze nicht akzeptabel ist, führt auch aufgrund der dadurch höheren Schmiermitteltemperatur zu geringeren Reibungsverlusten und somit günstigeren Verbrauchswerten der Brennkraftmaschine. Dieser geschilderte Sachverhalt ist dem Fachmann bekannt.

Eine Fahrzeug-Brennkraftmaschine mit einem Thermostatventil, dessen Regeltem­ peratur veränderbar ist, sowie mit einem vom Kühlmittel wahlweise durchström­ baren Wärmespeicher ist derzeit noch nicht auf dem Markt. Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung ist es, für den Kühlmittelkreislauf einer derartigen Brennkraftma­ schine eine optimale Regelstrategie aufzuzeigen, derart, daß sowohl die Vorteile des regelbaren Thermostatventiles als auch des Wärmespeichers bestmöglich ge­ nutzt werden können, ohne hierbei Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß im Falle einer gegenüber dem Minimalwert der Regeltemperatur gleichen oder höheren Temperatur des umgewälzten Kühlmit­ tels der Wärmespeicher nur dann durchströmt wird, wenn diese Kühlmittel-Tempe­ ratur um einen Differenzbetrag oberhalb derjenigen des Wärmespeichers liegt. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten einzigen Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei ist dieser gezeigte Kühlmittelkreislauf im wesentlichen gleich dem aus der bereits zitierten EP 0 340 621 A2 bekannten Kühlmittelkreislauf.

Mit der Bezugsziffer 1 ist eine Brennkraftmaschine bezeichnet, dessen Kühlmittel in einem durch Linien dargestellten Kreislauf umgewälzt wird. Hierzu ist insbeson­ dere eine Kühlmittelpumpe P1 vorgesehen, daneben dient eine hilfsweise ange­ ordnete Umwälzpumpe P2 dazu, bei Stillstehen der Brennkraftmaschine und somit Stillstehen der Kühlmittelpumpe P1 Kühlmittel durch zwei Heizungs-Wärme­ tauscher 2 zu fördern. Dieses Kühlmittel kann dabei auch einen Wärmespeicher 3 durchströmen, aus dem somit Wärme entzogen werden und dem Heizungs-Wär­ metauscher 2 zugeführt werden kann. Realisierbar ist dies - wie in der EP 0340 621 A2 ausführlich beschrieben ist - durch entsprechende Schaltung der Ventile V1, V2, V3, V4, V5.

An der Brennkraftmaschine 1 ist ein Thermostatventil 4 angebracht, welches den ebenfalls durch mit Pfeilen versehenen Linien dargestellten Kühlmittelstrom durch einen Kühler 5 steuert. Wie bekannt, wird bei kaltem Kühlmittel kein Kühlmittel­ strom durch den Kühler 5 gefördert, während beispielsweise bei Kühlmitteltempera­ turen < 85°C der Kühler 5 durchströmt und somit eine Rückkühlung des in der Brennkraftmaschine 1 erwärmten Kühlmittels ermöglicht wird.

Die Regeltemperatur, bei welcher das Thermostatventil 4 eine Durchströmung des Kühlers 5 freigibt, ist hier gezielt veränderbar, d. h. es handelt sich um ein regelba­ res Thermostatventil 4. Wahlweise kann somit die Regeltemperatur zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert, beispielsweise zwischen 85°C und 110°C eingestellt werden, so daß sich durch entsprechende Rückkühlung des Kühlmittels im Kühler 5 eine dementsprechende Kühlmitteltemperatur in Höhe der jeweils eingestellten Regeltemperatur des Thermostatventils 4 einstellt. Die als Kühlmittel-Temperatur bezeichnete Temperatur des umgewälzten Kühlmittels wird dabei bevorzugt nahe der Brennkraftmaschine ermittelt, und zwar insbesondere im Bereich des Eintritts des Kühlmittels in die Brennkraftmaschine 1. Ebenso kann jedoch auch die Temperatur im Austrittsbereich aus der Brennkraftmaschine 1 einen repräsentativen Wert für die Kühlmitteltemperatur darstellen.

Der bereits kurz erwähnte Wärmespeicher 3 wird ebenfalls vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmt und kann hierbei entweder Wärme an das Kühl­ mittel abgeben oder Wärme vom Kühlmittel aufnehmen, d. h. entladen werden oder beladen werden. Ist die Brennkraftmaschine 1 und somit auch die Kühlmittel­ pumpe P1 im Betrieb, so wird der Wärmespeicher 3 stets entsprechend Pfeilrich­ tung 6 durchströmt. Um nun sicherzustellen, daß der Wärmespeicher 3 bei be­ triebswarmer Brennkraftmaschine 1, d. h. dann, wenn das umgewälzte Kühlmittel bereits relativ hoch temperiert ist, nicht unnötigerweise entladen wird, wird der Wärmespeicher 3 nur dann durchströmt, wenn die Kühlmitteltemperatur um einen Differenzbetrag oberhalb derjenigen des Wärmespeichers liegt. Dieser soeben genannte Zustand der betriebswarmen Brennkraftmaschine liegt im übrigen dann vor, wenn die Kühlmittel-Temperatur (= Temperatur des umgewälzten Kühlmittels) gleich oder höher ist als der Minimalwert der Regeltemperatur des Thermostatventi­ les 4.

Die Temperatur des Wärmespeichers kann beispielsweise direkt im Wärmespei­ cher 3 gemessen werden, sie kann jedoch mit ausreichender Genauigkeit auch durch die Kühlmittel-Temperatur im Bereich des Austritts aus dem Wärmespeicher, d. h. durch die Kühlmittel-Temperatur an der Stelle 7 repräsentiert werden. Der oben genannte Differenzbetrag, um welchen die nahe der Brennkraftmaschine 1 ermittelte Temperatur des umgewälzten Kühlmittels höher sein soll, als diejenige des Wärmespeichers, wenn die Bedingungen für ein Durchströmen desselben er­ füllt sein soll, kann beispielsweise in der Größenordnung von 3 liegen. Beträgt nun beispielsweise die an der Stelle 7 ermittelte Temperatur des Wärmespeichers 90°C und liegt der Minimalwert der Regeltemperatur des Thermostatventiles 4 bei dem bereits beispielhaft erwähnten Wert von 85°C, so wird erfindungsgemäß der warme Speicher 3 nur dann durchströmt, wenn die Kühlmittel-Temperatur 93°C oder mehr beträgt. Nur dann ist das Ventil V3 bei geschlossenem Ventil V2 geöffnet. Ist jedoch die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels bzw. die nahe der Brennkraftmaschine 1 ermittelte Kühlmittel-Temperatur niedriger als 93°C, so sind die beiden Ventile V3 und V2 geschlossen, so daß der Wärmespeicher 3 nicht vom Kühlmittel durchströmt wird und somit auch nicht unerwünschtermaßen entladen werden kann.

Indem, wie angegeben, der Wärmespeicher 3 im Falle einer gegenüber dem Mini­ malwert der Regeltemperatur gleichen oder höheren Temperatur des umgewälzten Kühlmittel nur dann durchströmt wird, wenn diese Kühlmittel-Temperatur um einen Differenzbetrag oberhalb derjenigen des Wärmespeichers liegt, ist sichergestellt, daß der Wärmespeicher 3 bestmöglichst beladen wird, und zwar letztendlich auf einen Temperaturwert hin, der dem Maximalwert der Regeltemperatur des Ther­ mostatventiles 4 sehr nahe kommt. Wie klar verständlich ist, wird bei einer stets zunehmenden Beladung des Wärmespeichers 3 und folglich bei einer kontinuierli­ chen Temperaturerhöhung im Wärmespeicher 3 aufgrund der vorgeschlagenen Regelstrategie nur noch dann Kühlmittel durch den Wärmespeicher 3 hindurchge­ schickt, wenn dieses Kühlmittel noch etwas wärmer ist, nämlich wenn dessen Temperatur um den genannten Differenzbetrag höher ist als die Temperatur des Wärmespeichers 3. Durch Grenzwertbetrachtung ergibt sich somit für den Wärme­ speicher 3 letztendlich eine Temperatur, die dem um den genannten Differenzbe­ trag verringerten Maximalwert der Regeltemperatur des Thermostatventiles 4 ent­ spricht.

Aus diesem Grunde ist es empfehlenswert, im Falle einer Absenkung des Regel­ temperatur-Wertes des Thermostatventiles 4 eine Durchströmung des Wärmespei­ chers 3 zu verhindern bzw. zu unterbinden. Beispielsweise betrage zunächst die Regeltemperatur 105°C, während die Temperatur des Wärmespeichers 3 auf­ grund noch nicht vollständiger Beladung bei 95°C liege. Wird nun der Regel­ temperatur-Wert des Thermostatventiles auf beispielsweise 90°C abgesenkt, so könnte zumindest während einer kurzen Zeitspanne dementsprechend abgekühl­ tes Kühlmittel in den Wärmespeicher 3 gelangen und diesem dabei unerwünsch­ termaßen Wärme entziehen. Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, stets bei einer Absenkung des Regeltemperatur-Wertes des Thermostatventiles 4 die Ventile V2 und V3 geschlossen zu halten, auch weil andernfalls durch Wärme­ abgabe aus dem Wärmespeicher 3 die gewünschte Temperaturabsenkung des Kühlmittels zeitlich verzögert erfolgen würde.

Wie die Figurendarstellung zeigt ist die separate Umwälzpumpe P2 für den dem Wärmespeicher 3 sowie die Heizungs-Wärmetauscher 2 durchströmenden Teil­ zweig des Kühlmittelkreislaufes vorgesehen. Wird nun aufgrund der bislang erläu­ terten Randbedingungen der Wärmespeicher 3 nicht durchströmt und wird gleich­ zeitig an den Heizungs-Wärmetauschern 2 keine Wärmeabgabe nachgefragt, so muß in diesem Teilzweig des Kühlmittelkreislaufes überhaupt kein Kühlmittel um­ gewälzt werden. Aus diesem Grunde kann dann die Umwälzpumpe P2 außer Be­ trieb gesetzt werden. Die Tatsache, daß an den Heizungs-Wärmetauschern 2 keine Wärmeabgabe nachgefragt wird, ist beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel daraus ableitbar, daß die beiden Ventile V4 und V5, die von einer elektronischen Heizungssteuerung angesteuert werden, geschlossen sind. Jedoch kann dies so­ wie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend vom gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Stets erhält man eine optimale Nutzung des insbesondere als Latent-Wärmespei­ cher ausgebildeten Wärmespeichers 3 durch Erzielung höchstmöglicher Speicher­ ladetemperaturen bzw. Wärmespeicher-Temperaturwerte. Eine unerwünschte Entladung des Wärmespeichers 3 wird vermieden, daneben wird vorteilhafterweise die gezielte Einstellung einer gewünschten Kühlmitteltemperatur mittels des hin­ sichtlich seiner Regeltemperatur veränderbaren Thermostatventiles 4 durch den Wärmespeicher 3 nicht beeinflußt.

Claims (5)

1. Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine mit einem den Kühlmittelstrom durch einen Kühler (5) steuernden Thermostatventil (4), dessen Regeltempe­ ratur zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert veränderbar ist, sowie mit einem wahlweise durchströmbaren Wärmespeicher (3), wobei im Falle einer gegenüber dem Minimalwert der Regeltemperatur glei­ chen oder höheren Temperatur des umgewälzten Kühlmittels der Wärme­ speicher (3) nur dann durchströmt wird, wenn diese Kühlmittel-Temperatur um einen Differenzbetrag oberhalb derjenigen des Wärmespeichers (3) liegt.

2. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzbetrag in der Größenordnung von 3° liegt.

3. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Falle einer Absenkung des Regeltemperatur-Wertes des Thermo­ statventiles (4) eine Durchströmung des Wärmespeichers (3) unterbunden ist.

4. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei dann, wenn der Wärmespeicher (3) nicht durchströmt wird, eine separate, dem Wärmespeicher (3) sowie einem parallel hierzu angeordneten Heizungs-Wärmetauscher (2) zugeordnete Umwälzpumpe (P2) außer Betrieb gesetzt ist, falls am Heizungs-Wärmetauscher (2) keine Wärmeabgabe nachgefragt wird.

5. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels nahe der Brennkraftma­ schine (1) ermittelt und die Temperatur des Wärmespeichers (3) durch die Kühlmittel-Temperatur im Bereich des Austritts (Stelle 7) aus dem Wärme­ speicher (3) repräsentiert wird.