DE69725343T2

DE69725343T2 - Unabhängiges kühlsystem für brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69725343T2
Application number: DE69725343T
Authority: DE
Inventors: Jr. Henedino GUTIERREZ
Original assignee: General Motors do Brasil Ltda
Current assignee: General Motors do Brasil Ltda
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: CA2267927C; DE963510T1; ATE251272T1; US6182618B1; KR20000070198A; EP0963510A1; DK0963510T3; EP0963510B1; DE69725343D1; CA2267927A1; WO1998038417A1; KR100358220B1; BR9701062A; PT963510E; JP2000516324A; ES2208958T3

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein unabhängiges Kühlsystem, das entwickelt worden ist, um in Fahrzeugen befindliche oder ortsfeste Brennkraftmaschinen zu kühlen, die mit einem Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislaufsystem betrieben werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Maschine durch zwei voneinander unabhängige geschlossene Kühlkreislauf-Untersysteme erfolgt. Das eine dieser beiden Untersysteme führt die Motor-Zylinderkopf-Kühlung aus. Das andere führt die Motorblock-Kühlung aus.
Die derzeitigen Kühlsysteme von Fahrzeugmotoren bestehen im Wesentlichen aus einem einzigen Radiator, der die Wärme zwischen dem gesamten Kühlmittel, das in dem Kühlsystem des Fahrzeugmotors vorhanden ist (Motorblock plus Zylinderkopf, Schläuche, Radiator usw.), und der Außenluft austauscht. In einem derartigen System bilden der Motorblock und der Zylinderkopf einen Teil des Strömungssystems, in dem sich das Motorblock-Kühlmittel und das Zylinderkopf-Kühlmittel vermischen und umgekehrt. Wenn das Thermostatventil geschlossen ist (Öffnungstemperatur ist nicht erreicht), erzeugt eine mechanische Pumpe den Kühlmittelstrom nur zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf. Wenn das Thermostatventil zu öffnen beginnt (die Öffnungstemperatur wurde überschritten), strömt das Kühlmittel im Inneren des gesamten Motor-Kühlsystems. Die Kühlmittelpumpe absorbiert ständig einen Teil der abgegebenen Maschinenkraft. In den derzeitigen Systemen gibt es keine präzise Mengendurchfluss- und Kühlmitteltemperatur-Steuerung. Ein wesentlicher Betrag der abgegebenen Maschinenkraft wird auf Grund der groben Art der derzeitigen Systemsteuerung von der Kühlmittelpumpe aufgezehrt. Das Kühlmittelvolumen in dem System ist beträchtlich.
US-A-4 726 325 offenbart ein Kühlungs-Steuersystem für Brennkraftmaschinen mit zwei Kreisläufen, derart, dass beide Kreisläufe mit einer Wasserpumpe, einer Thermostat-Mischventil-Einrichtung und einer Umführungsleitung versehen sind.
US-A-1 774 881 offenbart ein Kühlsystem für Brennkraftmaschinen mit zwei Kühlsystemen, einem Zwischenkühler und einem dritten äußeren Kühlsystem, das einen einzigen Radiator und druckgesteuerte Sicherheitsventile umfasst, die die Wärmeübertragungsrate zwischen dem äußeren System und den inneren Systemen sowie den Druck der verschiedenen Fluida steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein unabhängiges Kühlsystem für Brennkraftmaschinen geschaffen, das eine Motorblock- und eine Zylinderkopfkühlung unabhängig voneinander durchführt, mit a) einem unabhängigen Zylinderkopfkühlungs-Untersystem zum Kühlen eines Zylinderkopfes mit einer Kühlmittelpumpe, einem ersten Radiator und einem Temperatursensor; wobei das unabhängige Zylinderkopfkühlungs-Untersystem so angeordnet ist, dass im Gebrauch ein Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe gepumpt wird, um die erzwungene Strömung des Kühlmittels im ersten Radiator und im Zylinderkopf zu bewirken, wobei der Sensor die Kühlmitteltemperatur an einer bestimmten Stelle in der Strömung misst und es möglich macht, den Betrieb des Systems zu steuern, und b) einem unabhängigen Motorblockkühlungs-Untersystem zum Kühlen eines Motorblocks mit einem zweiten unabhängigen Radiator, dadurch gekennzeichnet, dass das unabhängige Zylinderkopfkühlungs-Untersystem weiter einen ersten Ausdehnungs- und Füllbehälter aufweist, aus welchem Kühlmittel fließt, und das unabhängige Motorblockkühlungs-Untersystem ferner einen zweiten Ausdehnungs- und Füllbehälter umfasst und so angeordnet ist, dass im Gebrauch das Kühlmittel naturgemäß aus dem zweiten Ausdehnungs- und Füllbehälter zu dem zweiten unabhängigen Radiator und zu dem Motorblock fließt.
Vorzugsweise weist das Zylinderkopfkühlungs-Untersystem ein Strömungssteuerventil auf, das zwischen dem ersten Radiator und dem Zylinderkopf gelegen ist und den Kühlmittelstrom in dem entsprechenden unabhängigen geschlossenen Kreislauf steuert.
Vorzugsweise weist das System ein elektronisches Steuermodul auf, das den gesamten Kühlbetrieb steuert, wobei das elektronische Steuermodul durch Empfangen eines, elektrischen Signals von dem Kühlmitteltemperatursensor die Temperatur an einer bestimmten Stelle misst und in Abhängigkeit von diesem Wert und vom Motorbetriebszustand den Betrieb der Pumpe und des Strömungssteuerventils so steuert, dass die erforderliche Zylinderkopfkühlmittelströmungsrate geliefert wird.
Vorzugsweise steuert das Steuermodul den Betrieb eines Lüfters.
Vorzugsweise ist die Kühlmittelpumpe eine elektrische oder eine elektromechanische Pumpe.
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Radiator entweder parallel oder in Reihe relativ zur Längsachse des Fahrzeugs angeordnet.
In dem unabhängigen Zylinderkopfkühlungs-Untersystem der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das Strömungssystem aus den folgenden Komponenten: dem Zylinderkopf, der elektrischen oder elektromechanischen Kühlmittelpumpe (um eine erzwungene Strömung in dem System zu erzeugen), einem Strömungssteuerventil (um die Strömungsgeschwindigkeit in dem geschlossenen Kreislauf zu steuern), inem unabhängigen ersten Radiator (um die Wärme mit der Umgebung auszutauschen), einem Kühlmitteltemperatursensor (um die Kühlmitteltemperatur an einer bestimmten Stelle in dem Strömungssystem zu messen und die Steuerung des Betriebs des Systems zu ermöglichen) und einem Ausdehnungs- und Füllbehälter.
In dem unabhängigen Motorblockkühlungs-Untersystem der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das entsprechende Kühlmittel-Strömungssystem aus den folgenden Komponenten: dem Motorblock, einem unabhängigen zweiten Radiator (um Wärme mit der Umgebung auszutauschen) und einem Ausdehnungs- und Füllbehälter.
Das unabhängige Kühlsystem für Brennkraftmaschinen führt die Motorblockkühlung und die Zylinderkopfkühlung unabhängig voneinander aus. Für den Zylinderkopf kann die Kühlung mittels einer erzwungenen Strömung des Kühlmittels erreicht werden. Für den Motorblock kann die Kühlung mittels der naturgemäßen (freien) Konvektion erreicht werden, die durch Auftriebseffekte hervorgerufen wird.
Das unabhängige Kühlsystem für Brennkraftmaschinen kann verschiedene Betriebstemperaturen in dem Zylinderkopf bzw. in dem Motorblock ermöglichen. Folglich können eine bessere Steuerung der Wärmeabfuhr der Maschine, eine bessere Steuerung der Temperatur des Luft-Brennstoff-Gemischs, eine bessere Steuerung der Schadstoffemissionen der Maschine, ein schnelleres Anwärmen des Zylinderkopfes, wodurch eine Verkürzung der kalten Phase der Maschine bewirkt wird, und eine wirksame Erhöhung des Kompressionsverhältnisses (auf viel höhere Werte als gegenwärtig erreichbar) erhalten werden.
Das unabhängige Kühlsystem für Brennkraftmaschinen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses der Maschine auf sehr hohe Werte (sowohl für Otto- als auch für Dieselkraftmaschinen) und dies wiederum kann eine beträchtliche Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades in der Maschine bewirken, was in der Folge zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch und geringeren Abgasemissionen führt.
Das unabhängige Kühlsystem für Brennkraftmaschinen kann außerdem ermöglichen, die unabhängige erzwungene Strömung des Kühlmittels durch den Zylinderkopf zu steuern. Die Steuerung kann mittels eines elektronischen Steuermoduls erfolgen, das Ein- oder Mehrpunkt-Kraftstoff-Einspritzsysteme steuert. Das elektronische Steuermodul kann über den Kühlmitteltemperatursensor die Kühlmitteltemperatur an einer bestimmten Stelle messen und in Abhängigkeit von diesem Wert und dem Betriebsbereich der Maschine (Last und Drehzahl der Maschine) den Betrieb der Kühlmittelpumpe und der Strömungssteuerventile steuern.
Das unabhängige Kühlsystem für Brennkraftmaschinen ermöglicht außerdem, dass der erste und der zweite Radiator entweder in Reihe oder parallel in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs angeordnet sind.
Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen beschrieben, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, worin
1 das Funktionsschema des unabhängigen Zylinderkopfkühlungs-Untersystems zeigt;
2 das Funktionsschema des unabhängigen Motorblockkühlungs-Untersystems zeigt;
3 das Funktionsschema des unabhängigen Zylinderkopfkühlungs-Untersystems einschließlich des elektronischen Steuermoduls, das die Zündungs- und Kraftstoff-Einspritz-Systeme steuert, zeigt;
die 4a und 4b Schaubilder sind, die die Kühlmittelströmungsrichtung in einer Anordnung zeigen, in welcher der erste und der zweite Radiator in Reihe und parallel zueinander angeordnet sind.
1 zeigt das Funktionsschema des unabhängigen Zylinderkopfkühlungs-Untersystems (1) der Maschine, in dem das Kühlmittel aus einem Ausdehnungs- und Füllbehälter (6) mittels einer elektromechanischen oder elektrischen Kühlmittelpumpe (2) gepumpt wird, um die erzwungene Strömung des Kühlmittels zu einem ersten Radiator (4) zu erzeugen, der die Wärme mit der Außenluft austauscht und die Zylinderkopf-Kühlmitteltemperatur auf der festgesetzten Höhe hält. Mittels eines Strömungssteuerventils (3), das die Kühlmittelströmung in dem unabhängigen geschlossenen System steuert, gelangt das Kühlmittel zu dem Zylinderkopf, um ihn zu kühlen. Ein Kühlmitteltemperatursensor (5) misst die Temperatur an einer bestimmten Stelle des Kühlmittelstroms, wodurch eine präzise Steuerung des Betriebs des Systems, d. h. eine genaue Steuerung des Wärmeübertragungsprozesses, möglich ist.
2 zeigt das Funktionsschema des unabhängigen Motorblockkühlungs-Untersystems (7), in dem das Kühlmittel naturgemäß, durch die Schwerkraft, aus einem Ausdehnungs- und Füllbehälter (9) zu einem unabhängigen zweiten Radiator (8) fließt, wo es Wärme mit der Umgebung (Luft) austauscht, woraufhin es zum Motorblock (7) fließt, um ihn zu kühlen. Wie Fachleuten bekannt ist, ist die Wärmestromdichte zum Zylinderkopf größer als die Wärmestromdichte von den Verbrennungsgasen zum Motorblock, so dass eine einfache, natürliche (freie) Konvektion des Kühlmittels in dem Motorblock ausreichend ist, um ihn zu kühlen.
3, die 1 ähnlich ist, zeigt das elektronische Steuermodul (10), das den allgemeinen Kühlprozess steuert. Durch Empfangen des Signals von dem Kühlmitteltemperatursensor misst das elektronische Steuermodul die Kühlmitteltemperatur und steuert in Abhängigkeit vom Betriebsbereich der Maschine, der durch die Last und die Drehzahl der Maschine definiert ist, die Kühlmittelpumpe (2) und das Strömungssteuerventil (3) entsprechend dem Kühlmittelbedarf am Zylinderkopf. Außerdem steuert das elektronische Steuermodul (10) den Betrieb des Lüfters (11), wie in 3 gezeigt ist. Das elektronische Steuermodul (10) könnte ein hochentwickelter Mikroprozessor von jeder Art und von jeder Beschaffenheit sein, der geeignet ist, eine solche Funktion auszuführen.
4b zeigt in dem unabhängigen Kühlsystem für Brennkraftmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung die Anordnung des ersten (4) und des zweiten (8) Radiators in Reihe oder parallel in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs. 4a zeigt die parallele Anordnung des ersten (4) und zweiten (8) Radiators ebenfalls in Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs.
In der vorliegenden Erfindung könnte das Kühlmittel jede Art von Fluid mit einer spezifischen Zusammensetzung sein, die für eine solche Funktion geeignet ist. Die bevorzugten Fluida sind wässrig, wie beispielsweise Wasser mit Zusatzstoffen (wie Ethylenglykol usw.) vermischt.
Das System der Erfindung kann für den Zylinderkopf beispielsweise einen Temperaturgradienten (Einlass – Auslass) von etwa 50°C und für den Motorblock von etwa 40°C schaffen. Jedoch kann eine Maschine, die das beanspruchte Kühlsystem enthält, bei jedem Kühlmitteltemperaturgradienten, sowohl für den Motorblock als auch für den Zylinderkopf, arbeiten.
Gegenüber den derzeitigen Kühlsystemen, die zu Beginn des vorhergehenden Abschnitts beschrieben worden sind, weist das unabhängige Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile auf:
Im Zylinderkopf:

1. Der Kühlmittelstrom kann mittels einer elektrischen Pumpe mit geringem Energieverbrauch erzeugt werden, die direkt von dem elektronischen Steuermodul gesteuert wird.
2. Das (durch die elektrische Pumpe) einer erzwungen Strömung unterliegende Kühlmittelvolumen ist wesentlich kleiner, da das zur Kühlung des Zylinderkopfes notwendige Kühlmittelvolumen viel kleiner als das zur Kühlung der gesamten Maschine und des Blocks allein benötige Volumen ist. Somit ist die erforderliche Pumparbeit geringer.
3. Wegen dem kleineren erforderlichen Kühlmittelvolumen ist die Steuerung des Stroms und der Kühlmitteltemperatur in dem Zylinderkopf schneller und genauer.
4. Dadurch wird es möglich, den Zylinderkopf bei der idealen Arbeitstemperatur zu betreiben, die gewöhnlich von jener, die vom Motorblock benötigt wird, verschieden ist.
5. Es verlangt kein Thermostatventil, da es nur einen Temperatursensor erfordert, um das System selbsttätig zu schalten.
6. Es ermöglicht die Verwendung eines Radiators kleineren Volumens.
7. Die Verwendung von unabhängigen Radiatoren ermöglicht ihren Einbau in Bereichen, in denen der frontale Luftstrom des Fahrzeugs für eine Verbesserung der Wärmeübertragung günstiger ist.
8. Es ermöglicht durch die genauere Temperatursteuerung eine bessere Steuerung der Schadstoffemissionen der Maschine.
9. Es ermöglicht die Erhöhung des Kompressionsverhältnisses und folglich die Erhöhung der Maschinenkraftabgabe.
10. Es ermöglicht eine bessere Steuerung des Klopfens der Maschine.
11. Es ist keine spezielle Zylinderkopfdichtung erforderlich.

Im Motorblock:

1. Die Strömung findet durch eine naturgegebene (freie) Konvektion statt, weshalb keine Zusatzpumpe (mechanisch oder elektrisch) erforderlich ist.
2. Es ist nicht notwendig ein Thermostatventil zu verwenden. Das System arbeitet in einem freien Kreislauf.
3. Es hat einen unabhängigen Radiator, der ein kleineres Volumen als jene in derzeitigen Systemen hat.
4. Da der Strom durch freie Konvektion erfolgt, könnte es bei niedrigen Drücken arbeiten.

Claims

Unabhängiges Kühlsystem für Brennkraftmaschinen, das eine Motorblock- und eine Zylinderkopfkühlung unabhängig voneinander durchführt, mit a) einem unabhängigen Zylinderkopfkühlungs-Untersystem (1) zum Kühlen eines Zylinderkopfes (1) mit einer Kühlmittelpumpe (2), einem ersten Radiator (4) und einem Temparatursensor (5); das unabhängige Zylinderkopfkühlungs-Untersystem (1) ist so angeordnet, dass im Gebrauch ein Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe (2) gepumpt wird, um die erzwungene Strömung des Kühlmittels im ersten Radiator (4) und im Zylinderkopf (1) zu bewirken, wobei der Sensor (5) die Kühlmitteltemperatur an einer bestimmten Stelle in der Strömung misst und es möglicht macht, den Betrieb des Systems zu steuern, und b) einem unabhängigen Motorblockkühlungs-Untersystem (7) zum Kühlen eines Motorblocks (7) mit einem zweiten unabhängigen Radiator (8), dadurch gekennzeichnet, dass das unabhängige Zylinderkopfkühlungs-Untersystem (1) weiter einen ersten Ausdehnungs- und Füllbehälter (6) aufweist, aus welchem Kühlmittel fließt, und das unabhängige Motorblockkühlungs-Untersystem (7) ferner einen zweiten Ausdehnungs- und Füllbehälter (9) umfasst und so angeordnet ist, dass im Gebrauch das Kühlmittel naturgemäß aus dem zweiten Ausdehnungs- und Füllbehälter (9) zu dem zweiten unabhängigen Radiator (8) und zu dem Motorblock (7) fließt.
Unabhängiges Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Zylinderkopfkühlungs-Untersystem ein Strömungssteuerventil (3) aufweist, das zwischen dem ersten Radiator (4) und dem Zylinderkopf (1) gelegen ist, und das den Kühlmittelstrom in dem entsprechenden unabhängigen geschlossenen Kreislauf steuert.
Unabhängiges Kühlsystem nach Anspruch 1 und 2, wobei das System ein elektronisches Steuermodul (10) aufweist, dass den gesamten Kühlbetrieb steuert, wobei das elektronische Steuermodul durch Empfang eines elektrischen Signals von dem Kühlmitteltemperatursensor die Temperatur an einer bestimmten Stelle misst und in Abhängigkeit von diesem Wert und vom Motorbetriebszustand den Betrieb der Pumpe (2) und des Strömungssteuerventils (3) so steuert, dass die erforderliche Zylinderkopfkühlmittelströmungsrate geliefert wird.
Unabhängiges Kühlsystem nach Anspruch 3, wobei das Steuermodul (10) den Betrieb eines Lüfters (11) steuert.
Unabhängiges Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Kühlmittelpumpe (2) eine elektrische oder eine elektromechanische Pumpe ist.
Unabhängiges Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Radiatoren (7, 8) entweder parallel oder in Reihe relativ zur Längsachse des Fahrzeugs angeordnet sind.