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Dokumentenidentifikation DE102004058864A1 08.06.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur kraftstoffverbrauchsorientierten Kühlung von Verbrennungskraftmaschinen mittels eines schaltbaren Zusatzventils
Anmelder ATT AutomotiveThermoTech GmbH, 51429 Bergisch Gladbach, DE
Erfinder Himmelsbach, Johann, Dr.-Ing., 51789 Lindlar, DE
DE-Anmeldedatum 06.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058864
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse F01P 3/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01P 7/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F01P 7/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B60H 1/32(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine wird der Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine im Bypasszweig 6b mit Zusatzventil 6bv in Abhängigkeit vom Kühlbedarf so variiert, dass sich in der Teillast erhöhte Bauteiltemperaturen zur Kraftstoffeinsparung ergeben.
Dabei wird mit zeitweise stehendem Wasser bzw. einem geringen Gesamtvolumenstrom durch die Brennkraftmaschine gearbeitet - d. h. mit ganz oder teilweise geschlossenem Bypasszweig 6b.
Bei erhöhtem Kühlbedarf stellt ein schnelles Öffnen des el. Zusatzventils sicher, dass keine Überhitzung eintritt, das System arbeitet dann wie ein konventionelles Motorkühlsystem mit Bypassthermostat.
In der kostengünstigsten Variante genügt auch bei luftseitigen Regelungen der Kabinenheizung nur ein Zusatzventil, um signifikante Kraftstoffeinsparungen zu realisieren.
Die Ansteuerung des Zusatzventils erfolgt in einer bevorzugten Variante mittels der Motorsteuerung. Daneben wird ein System mit el. Heizungspumpe vorgestellt, bei dem das Zusatzventil mittels des Kühlmitteldrucks direkt angesteuert wird, welches neben erheblichen Kostenvorteilen auch ein besonders gutes Fail-Save-Verhalten aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühler 8 regelt und einem von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbaren Bypasszweig 6b mit Zusatzventil 6bv, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert. Sie wird bevorzugt eingesetzt, bei Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff-Thermostaten.

Es ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu senken. Eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels und des Motoröls und damit auch der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur in der Teillast sind probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen zu realisieren.

Zukünftige Strategien zur Erzielung des vollen Kraftstoffeinsparpotenzials mittels derartiger Maßnahmen beinhalten insbesondere Möglichkeiten, den Öffnungszeitpunkt des Thermostaten mittels der Motorsteuerung frei zu wählen und den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor im Warmlauf in weiten Bereichen zu variieren. Hierfür sind verschiedene Lösungen verfügbar, von der magnetischen Schaltkupplung zur Abschaltung der Kühlmittelpumpe des Motors über pumpeninterne Kurzschlussventile bis hin zur voll variablen el. Wasserpumpe als Ersatz für die riemengetriebene Kühlwasserpumpe.

Allen bekannten Lösungen zur Regelung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor ist gemeinsam, dass erhebliche Kosten für die erforderlichen Zusatzkomponenten anfallen. Neben den Maßnahmen zur Regelung des Durchflusses durch den Motor ist bei den meisten bekannten Optimierungsstrategien insbesondere der Austausch des heute üblichen Thermostaten mit Regelung des Kühlerdurchflusses mittels Dehnstoffelement durch ein von der Motorsteuerung frei ansteuerbares Ventil vorgesehen. Für die volle Ausnutzung des Potenzials sind in diesem Zusammenhang insbesondere relativ aufwändige Ventile vorgesehen, bei denen der Durchfluss durch den Kühler von der Motorsteuerung vorgegeben und über einen Schrittmotor feinfühlig eingestellt wird. Verschiedene Drehpositionen des Mehrwegeventils stellen dann z.B. bevorzugte Positionen für eine optimale Heißkühlung, eine maximale Kühlwirkung oder eine maximale Kabinenheizleistung ein. Die Kosten für ein derartiges Ventil, um mehrere Zu- und Abflüsse u.a. für den Kühler-, den Bypass- und den Heizkreislauf zu schalten bzw. stufenlos zu variieren, sind nicht unerheblich. Hinzu kommt ein weiterer Zusatzaufwand, wenn ein hinreichendes Fail-Save-Verhalten für alle möglichen sommerlichen und winterlichen Betriebszustände realisiert werden soll.

Die Kosten sind daher bereits erheblich, selbst wenn unter Verzicht auf das volle Kraftstoffeinsparpotential darauf verzichtet wird, gleichzeitig mit der Einführung des Ventils auch eine Zusatzmaßnahme zur Variation der Kühlmittelpumpendrehzahl bzw. der Kühlmittelpumpenförderleistung vorzusehen.

Nicht zuletzt vor dem Hintergrund der Kosten und der Betriebssicherheit hat sich bisher ein wesentlich einfacheres System zur Heißkühlung am Markt durchgesetzt, bei dem ein Dehnstoff-Thermostat mit einem el. beheizbaren Dehnstoffelement den wahlweisen Betrieb bei zwei verschieden Kühlmitteltemperaturen ermöglicht. Dabei wird ein Thermostat mit Dehnstoffelement eingesetzt, welcher beispielsweise ab 100°C zwangsläufig beginnt zu öffnen, bei el. Bestromung des Heizelements wird dieser Öffnungszeitpunkt dann mittels der el. Wärmezufuhr zum Dehnstoffelement auf z.B. 80°C verschoben. Die Kraftstoffverbrauchsvorteile sind hier zwar nicht voll ausgeschöpft, u.a. weil die Wirksamkeit des Systems auf Fahrsituationen mit Kühlmitteltemperaturen oberhalb ca. 80°C begrenzt ist, die Mehrkosten sind aber auch wesentlich geringer. Darüber hinaus ist sowohl jegliche Diskussion bezüglich der Robustheit des Systems und deren Fail-Safe-Charakteristik als auch die Frage nach der Verfügbarkeit serienreifer Bauteile angesichts der bereits vorliegenden Serienerfahrung mit dieser Art von el. beheizten Thermostaten weitgehend gegenstandslos.

Dennoch arbeiten die Systemlieferanten für KFZ-Kühlsysteme an den eingangs beschriebenen Varianten zur vollen Ausschöpfung des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen. Der Erfolg dieser neuen Lösungswege ist jedoch einerseits in erheblichem Maße an die Entwicklung der Emissionsvorschriften und der Kraftstoffpreise gekoppelt, andererseits auch sehr stark an die Bereitstellung wesentlich preiswerterer Hardware als bisher verfügbar. Umgekehrt erschwert gerade der ausbleibende Großserienanlauf fallende Hardwarepreise für das el. Mehrwegeventil als Thermostatersatz und gegebenenfalls die schalt- bzw. regelbare Kühlwasserpumpe.

Auch wenn inzwischen ein namhafter Kfz-Hersteller für eine ganze Motorfamilie den hohen Aufwand für ein Kühlsystem mit elektrisch angetriebener Motorkühlwasserpumpe betreibt, um möglichst viel Kraftstoff zu sparen, so verhindern doch die hohen Kosten vielerorts die Einführung eines derartigen Systems.

Nicht zuletzt deshalb sind in jüngster Zeit preiswertere Systeme, wie z.B. der el. Thermostat in Drei-Teller-Ausführung in die Serienanwendung gelangt. Bei derartigen Systemen verschließt einer der drei Teller – der sogenannte Schließteller- den kleinen Kühlmittelkreislauf in der frühen Warmlaufphase und öffnet mit zunehmender Motorerwärmung. Mittels el. Bestromung des Dehnstoffelementes bei hoher thermischer Belastung des Motors wird bei Bedarf der Bypasszweig weiter geöffnet bzw. bei sehr hohem Kühlbedarf und weit geöffnetem Kühlerkreislauf wieder geschlossen. Die el. Bestromung hilft insbesondere, früheren Problemen des Dreitellerthermostaten beim schnellen Umschalten von Teillast auf Volllast speziell bei kaltem Motor zu begegnen. Die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit bei kaltem Kühlwasser lässt den Einsatz des Dreitellerthermostaten jedoch nach wie vor nicht bei jedem Motor ohne konstruktive Zusatzmaßnahmen zu.

Auch Systeme mit frei ansteuerbarem Bypassventil, z.B. als stufenlos angesteuerter Drehschieber, sind bekannt, die diese Problem nicht aufweisen, allerdings bezüglich der Kosten wieder ungünstiger liegen.

Allen bekannten Systemen einschließlich des Dreitellerthermostaten ist gemeinsam, dass spezielle Eingriffe im Heizkreislauf nötig sind, um zu verhindern, dass sich die im Heizkreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Um innerhalb des Motors im Warmlauf möglichst kleine wasserseitige Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, sowie um die wärmeaktiven Massen und Wärmeverluste des Heizkreislaufs zu minimieren, sind bei den bisher bekannten Wärmemanagement-Systemen separate Vorrichtungen vorgesehen, die es erlauben den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungszweig im Warmlauf zu unterbinden oder zumindest stark zu drosseln. Speziell bei luftseitiger Regelung der Kabinenheizung fallen damit i.a. zusätzliche Kosten für Kühlmittelventile oder sonstige Bauteile zur Unterbindung/Drosselung des Heizungsvolumenstroms an.

Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein besonders kostengünstiges und dennoch betriebssicheres Kühl- und Heizsystem zu schaffen, bei dem möglichst viel des Kraftstoffeinsparpotenzials von Wärmemanagementmaßnahmen bereits bei Kühlmitteltemperaturen unterhalb der heute bei Kühlsystemen ohne el. Thermostaten üblichen Thermostatöffnungstemperatur genutzt werden kann und welches insbesondere auch dazu genutzt werden kann, einen Teil des Kraftstoffeinsparpotenzials zu realisieren, für das eine Kühlmitteltemperatur oberhalb der heute bei Kühlsystemen ohne el. Thermostaten üblichen Thermostatöffnungstemperatur benötigt wird.

Als insbesondere anzustrebende bzw. zu überbietende Eckpunkte für die Temperaturen und Kosten sind hierbei derzeit die Werte der el. beheizbaren Thermostaten anzusehen, wie sie heute am Markt zu finden sind, d.h. insbesondere Einstellung der Kühlmitteltemperatur mittels der Motorsteuerung auf Werte zwischen 80-85°C bei hoher Last und 100-115°C in der Teillast.

Insbesondere sollen die Leistungsmerkmale bezüglich Kraftstoffeinsparung und schneller Umschaltung von Teillast auf Volllast sowie die Gesamtsystemkosten des dieses Jahr zum ersten mal in Grosserie angewandten Drei-Teller-Thermostaten übertroffen werden.

Darüber hinaus besteht die beigeordnete Anforderung, dass die Anforderungen bezüglich der Kabinenheizwirkung uneingeschränkt erfüllt werden müssen. Noch besser wäre es in diesem Zusammenhang, wenn die Heizwirkung verbessert werden würde bzw. wenn in der Teillast eine Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart mit deutlich verbessertem Kraftstoffverbrauch und einer zweiten Betriebsart mit verbesserter Heizleistung und etwas weniger verbessertem Kraftstoffverbrauch realisiert werden könnte.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

In Verbindung mit einem Teil der beigeordneten Ansprüche ist sogar die Zusatzaufgabe der Umschaltung zwischen einer ersten Betriebsart mit deutlich verbessertem Kraftstoffverbrauch und einer zweiten Betriebsart mit verbesserter Heizleistung und etwas weniger verbessertem Kraftstoffverbrauch gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist speziell die Option, den Kühlmitteldurchfluss durch den Bypasszweig der Motorkühlung sowie durch die Heizung ohne weitere aktiv angesteuerte Zusatzbauteile mit einem einfachen Auf/Zu-Zweiwege-Ventil zeitweise auf Null zu setzen, besonders attraktiv.

Im Extremfall genügt, ausgehend von heutigen Serienkühlsystemen, das Einfügen des Zusatzventils 6bv und die Verlegung des Heizungswärmetauscheranschlusses an die unübliche Position stromab des Zusatzventils 6bv.

Wichtig ist dabei in der einfachsten Variante ohne el. Heizungspumpe, dass hinter dem Zusatzventil 6bv und dem Inneren des Thermostaten 6 ein hinreichender Druckabfall erfolgt, so dass für den Heizungswärmetauscher beim Durchströmen des Bypasszweigs eine ausreichende Druckdifferenz anliegt. Der Druckabfall am relativ großzügig, d.h. für große Kühlmitteldurchsätze auch bei geschlossenem Kühler, dimensionierten Bypasszweig legt bekanntlich die Lage im Pumpenkennfeld der Motorkühlmittelpumpe fest und weniger der relativ kleine Durchfluss im Heizungszweig.

Da bei heutigen Serienanwendungen der für den Heizkreislauf verfügbare Druck ohnehin schon kaum ausreicht, erscheint es auf den ersten Blick wenig zielführend, ein zusätzliches Ventil – verbunden mit entsprechenden Druckverlusten – einzufügen und dann die Heizung erst hinter diesem Ventil anzuschließen. Auf den ersten Blick ist man vielmehr geneigt, über das Schließen des Zusatzventils die verfügbare Druckdifferenz für die Heizung zu erhöhen, um die Heizungswärmetauscherleistung zu steigern.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung geht diesen Weg dennoch, da sich damit ein Weg zur Kraftstoffeinsparung erschließt, der in seiner Kosten/Nutzen-Bilanz extrem günstig ist.

Es kann damit mittels Schließen nur eines einzigen Auf/Zu-Zusatzventils in der Warmlaufphase eine Betriebsart ohne jegliche Motordurchströmung mit Kühlmittel eingestellt werden. Die damit einhergehenden Kraftstoffeinsparungen sind bekannt. Natürliche Kühlmittelkonvektion und die thermischen Trägheiten der Motorbauteile einschließlich des motorinternen Kühlmittels und des Motoröls sorgen dafür, dass der Motor bei moderater Motorlast z.B. in den ersten ECE-Zyklen des gesetzlichen Abgastests nicht überhitzt. In Phasen mit erhöhtem Kühlbedarf wird das Zusatzventil dann beispielsweise von der Motorsteuerung schlagartig oder auch getaktet geöffnet. Bei vollständiger Öffnung verhält sich das System wie ein ganz konventionelles Kühlsystem.

Bei entsprechend kleinem Druckverlust am Zusatzventil kann gegebenenfalls ein bereits vorhandener Serienthermostat mit konventionellem Zusatzventil unverändert verwendet werden. Bei Serienthermostaten ohne Bypass muss gegebenenfalls dafür gesorgt werden dass eine hinreichend große Drucksenke hinter dem Zusatzventil sicherstellt, dass hinreichend Druckabfall entsteht, um für die Durchströmung des Heizungswärmetauschers bei geöffnetem Zusatzventil zu sorgen.

Wie Versuche an Serienfahrzeugen zeigen, ist diese Ausgestaltung des Kühl- und Heizkreislaufs bei entsprechender Auswahl des Zusatzventils, insbesondere bei der Ausgestaltung als Drehschieber- oder Kugelventil, ohne Einbuße an Heizkomfort möglich. Bei sorgfältiger Anpassung der Ansteuerung des Zusatzventils mittels der Motorsteuerung führt dies in einer ersten Betriebsart mit geöffnetem Zusatzventil auf eine gute bzw. ausreichende Kabinenheizung bei voller Kühlfunktionalität. Bei geschlossenem Ventil ist die Heizung deaktiviert bei gleichzeitiger Reduktion des Kraftstoffverbrauchs.

Die Ansteuerung des Zusatzventils mittels der Motorsteuerung bietet insbesondere den Vorteil, dass unabhängig von der Kühlmitteltemperatur jederzeit auf vollen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor geschaltet werden kann. Speziell Motoren sehr hoher spezifischer Leistung lassen sich somit bei einem Lastsprung sehr gut schützen. Die von el. Thermostaten bekannten Totzeiten beim Öffnen und Schließen entfallen, so dass z.B. länger mit stehendem Wasser gefahren werden kann. Gegebenenfalls kann auch eine Auf/Zu-Regelung des Zusatzventils erfolgen.

Als weiter Vorteil lässt sich mit dieser Ausgestaltung auch das Kavitationsrisiko an der Motorkühlwasserpumpe bei hohen Motordrehzahlen sicherer beherrschen als beispielsweise mit dem Dreitellerthermostaten.

Auch wenn die bisher beschriebene Einfachst-Variante des erfindungsgemäßen Kühl- und Heizkreislaufs nicht das volle Kraftstoffeinsparpotenzial erschließt und sich im Vergleich zu früheren Patentanmeldungen mit schaltbarem Zusatzventil und Anpassung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungswärmetauscher neben geringeren Kraftstoffeinsparungen i.a. auch keine bessere Kabinenheizwirkung ergibt, so machen speziell die Einfachheit und der Kostenaspekt diese Ausgestaltung besonders attraktiv. Die Kosten für ein Auf/Zu-Ventil sind insbesondere deshalb so gering, weil derartige Ventile bereits im Seieneinsatz sind und sich daher die Investitionen in Entwicklung und Fertigung sehr gering halten lassen. Ebenso ist damit auch das Ausfall-Risiko sehr klein. Dieses lässt sich noch zusätzlich reduzieren, wenn man auf Ventilbauarten zurückgreift, die stromlos offen sind. Dies gilt insbesondere für Magnetventile oder Ventile mit Vakuumaktuator.

Die bisherigen Ausführungen konzentrierten sich auf die Platzierung der Heizungswärmetauscherzuleitung auf eine Stelle stromab des Zusatzventils bei gleichzeitiger Platzierung der Heizungswärmetauscherrückleitung auf der Saugseite, der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpeneintritt oder am Eintritt in den der Pumpe vorgeschalteten Thermostaten 6.

In analoger Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren aber auch umgekehrt anwenden, d.h. mit Platzierung der Heizungswärmetauscherrückleitung an eine Stelle stromauf des Zusatzventils bei gleichzeitiger Platzierung der Heizungswärmetauscherzuleitung auf der Druckseite der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpenaustritt oder am Wassermantel der Zylinderlaufbahn.

Bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreislauf 6a stellt sich damit eine Druckdifferenz Null am Heizungswärmetauscher 4 ein, ebenso wie innerhalb des Motors 1. Mit anderen Worten, auch hier lässt sich durch Öffnen und Schließen eines einzigen Auf/Zu-Zusatzventils zwischen einer kraftstoffverbrauchsorientierten Einstellung ohne Heizung und einer Einstellung mit normalem Kühl- und Heizbetrieb umschalten.

Zur weiteren Vertiefung des erfindungsgemäßen Gedankenguts werden nachfolgend einige besonders vorteilhafte Ausgestaltungen anhand von exemplarischen Kühl- und Heizkreisläufen beschreiben.

Hierzu zeigt 1 einen erfindungsgemäßen Kühlkreislauf mit Fokus auf die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs mit der Option der Umschaltung auf Normalbetrieb, d.h. auf volle Funktionalität der Kabinenheizung und der Kühlung.

Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv wird das Kühlmittel gemäß 1 von der Motorkühlmittelpumpe 7 durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert und strömt über das Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b zum konventionellen Dehnstoffthermostaten 6. Während des Warmlaufs verschließt der kühlerseitige Teller des Dehnstoffthermostaten den Kühlerkreislauf während der bypassseitige Teller geöffnet ist. Die Entlüftungsleitung 9a des Ausgleichsbehälters 9 ist stromab des Zusatzventils 6bv angeschlossen. Vom Ausgleichsbehälter strömt das Kühlmittel gemeinsam mit dem Wasser des Heizungsrücklaufs in den Thermostaten. Diese Leitung ist üblicherweise bei geöffnetem wie bei geschlossenem Thermostaten 6 zur Motorkühlmittelpumpe 7 hin offen. Ebenfalls stromab des Zusatzventils 6bv wird das Kühlwasser für den Heizungskreislauf 4a entnommen. Der Heizungswärmetauscher 4 ist bei dieser Einstellung in herkömmlicher Weise durchströmt. Solange das Zusatzventil 6bv im geöffneten Zustand nur einen relativ kleinen Druckverlust erzeugt muss zum Erzielen der vollen Heizleistung keine weitere Umgestaltung der Bauteile vorgenommen werden. Bevorzugt kommt deshalb als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz, der im geöffneten Zustand den vollen Kanalquerschnitt der Bypassleitung freigibt. Da der Drehschieber nur auf/zu betätigt wird, ist dieser sehr einfach und preiswert herstellbar, am einfachsten mit einem Vakuum-Aktuator der über ein von der Motorsteuerung 20 angesteuertes Magnetventil mit Unterdruck versorgt wird. Im Warmlauf ohne Kabinenheizbedarf wird bei geringer bis mittlerer Motorlast das Zusatzventil 6bv durch die Motorsteuerung 20 geschlossen. Damit ist nicht nur der Bypasskreislauf 6b unterbrochen sondern auch der Heizkreislauf 4a, der Entlüftungskreislauf 9a, der Kühlerkreislauf 6a und die Durchströmung des Ölkühlers 40. Mit Ausnahme einer lokalen Strömung im Nahbereich des Pumpenlaufrades und der natürlichen Konvektion liegt somit im Kühlkreislauf stehendes Wasser vor. Damit sinkt in bekannter Weise der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient im Motor und es steigt die motorinterne Kühlmittel- und Bauteiltemperatur. Die Reduktion der Reibleistung durch eine wärmere Zylinderlaufbahn, etwas geringere Antriebsleistung der Motorkühlmittelpumpe, wärmeres Öl und bei Ottomotoren die thermische Entdrosselung der Ansaugluft führen dann letztlich zu der charakteristischen Kraftstoffeinsparung dieser Wärmemanagementmaßnahme. Solange über geeignete Sensoren bzw. thermische Modelle ein Überhitzen des Motors sicher ausgeschlossen wird, kann das Zusatzventil geschlossen bleiben. Ist wegen zu hoher Pumpendrehzahl mit Kavitation an der Kühlmittelpumpe zu rechnen, so öffnet die Motorsteuerung 20 das Zusatzventil 6bv. Ebenso bei zu hoher thermischer Last oder bei Motor-Vollast. Die hohe Stellgeschwindigkeit des Zusatzventils 6bv im Vergleich zur potenziellen Alternative "El. Thermostat" erweitert hier den Spielraum bis zum ersten Öffnen des Thermostaten erheblich. Dabei sind je nach Motor verschiedene Strategien bis zum ersten Öffnen des Zusatzventils vorteilhaft.

Die einfachste Strategie ist möglichst lange zu warten, bis das Zusatzventil öffnet und den Bypasszweig nebst Ölkühler, Heizkreislauf und Degaskreislauf einbindet und gegebenenfalls den Kühlerkreislauf etwas öffnet. Dabei kann es zur besseren Entlüftung vorteilhaft sein, die ersten Sekunden des Warmlaufs noch mit geöffnetem Zusatzventil 6bv zu arbeiten.

Es kann insbesondere aber auch vorteilhaft sein, das Zusatzventil zunächst geschlossen zu hatten, dann bei Erreichen einer ersten Temperatur unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur das Zusatzventil zu öffnen, so dass sich ein erster Temperaturausgleich im Bypass- und Heizungszweig einstellt und sich am Ölkühler 40 eine Wärmeübertragung vom Wasser ans Öl einstellt. Gegebenfalls muss hier der Durchfluss in der Entlüftungsleitung zusätzlich gedrosselt werden, oder der Rücklauf wird – wie in 7 gezeigt – auf die kalte Kühlerseite gelegt, was bei kavitationsunempfindlichen Motorkühlwasserpumpen 7 zulässig sein kann.

Solange keinerlei Strömung im Bypasszweig und damit auch im Heizzweig vorliegt, besteht keine Gefahr, dass ein Teil des erwärmten Kühlwassers über ein Teilöffnen des Kühlerthermostaten entweicht.

Ein sprungartiges Öffnen des Zusatzventils 6bv führt unmittelbar zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten im Wassermantel des Motors und damit zu einer Kühlwirkung. Ein Thermoschock-Risiko besteht nicht, da der Thermostat 6 bei geöffnetem Zusatzventil 6bv in bekannter Weise ein sukzessives Zumischen kalten Kühlwassers aus dem Kühlerzweig sicherstellt.

Gegebenenfalls erfolgt ein getaktetes Öffnen des Zusatzventils, so dass auch ein allmähliches Zuschalten der Heizung bzw. des Kühlers realisierbar ist.

Dabei nimmt das erfindungsgemäße Vorgehen nicht in Anspruch der thermodynamisch beste Weg zu sein. Vielmehr ist hier stets das Verhältnis von Kosten zu Nutzen zu sehen. Speziell wenn der Kraftstoffverbrauch ohne zusätzliche Ansprüche an die Heizwirkung im Vordergrund steht, ist das erfindungsgemäße Vorgehen vorteilhaft. Wenn gleichzeitig eine Verbesserung der Heizleistung gefragt wäre, so wäre ausgehend von 1 wohl ein Verfahren mit Anschluss des Heizungswärmetauschers 4 stromauf des Zusatzventils 6bv, Schließen des Zusatzventils 6bv zur Verbesserung der Heizleistung, Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und den Heizungswärmetauscher und Gegenstrombauweise des Heizungswärmetauschers 4 wesentlich effektiver.

2 zeigt eine analoge Vorgehensweise zu 1 mit dem Unterschied, dass die Brennkraftmaschine 1 selbst als Drucksenke zur Erzeugung der Druckdifferenz am Heizungswärmetauscher 4 herangezogen wird. Das Kühlwasser für den Heizungskreislauf 4a wird hier hinter der Motorkühlwasserpumpe 7 oder im Wassermantel des Motorblocks entnommen und strömt bei geöffnetem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreislauf wiederum über den bypassseitigen Teller des Thermostaten 6 zurück zur Kühlmittelpumpe 7. Ein Teilstrom geht hinter dem Zusatzventil 6bv durch den Entlüftungskreislauf 9a und ein weiterer durch den Ölkühler 40. Diese beiden Teilströme münden im stets offenen Zweig des Thermostaten, der bei konventionellen Systemen üblicherweise vom Heizungsrücklauf durchströmt wird. Ganz analog zu 1 genügt auch bei 2 ein einfaches Schließen des Zusatzventils 6bv, um im ganzen System mit Ausnahme des Nahbereichs des Pumpenrades für stehendes Wasser zu sorgen. Es ergeben sich somit ganz analog Vorteile für den Kraftstoffverbrauch im Motorwarmlauf und gegebenenfalls in der warmen Teillast. Da bei geöffnetem Zusatzventil 6bv üblicherweise relativ hohe Kühlmitteldurchsätze durch den Motor vorliegen und in der Teillast ohnehin nur eine relativ geringe Wärmezufuhr ins Kühlmittel erfolgt, wirkt sich der vermeintliche Nachteil, dass das Kühlwasser für die Heizung am Motoreintritt entnommen wird kaum aus, da am Motoraus- und Motoreintritt nahe zu die gleichen Temperaturen vorliegen. Wichtig ist hingegen auch hier, dass das Zusatzventil 6bv im geöffneten Zustand nur einen geringen Druckverlust aufweist. Gegebenfalls kann aber auch ein Heizungswärmetauscher zum Einsatz kommen, der mit einem etwas geringeren Druckverlust auskommt.

Da speziell bei Fahrzeugen der gehobenen Preisklasse vielfach ohnehin eine el. Heizungspumpe zum Einsatz kommt, um bei stehender Brennkraftmaschine durch Umwälzen von Kühlmittel eine Aufrechterhaltung der Kabinenheizung sicherzustellen, spielt der Druckverlust im Heizungswärmtauscherkreislauf vielfach aber auch eine etwas untergeordnete Rolle. 3 zeigt in diesem Zusammenhang eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems unter Einbindung der el. Zusatzpumpe 2, welche zum Erzielen stehenden Kühlmittels zeitgleich mit dem Schließen des Zusatzventils 6bv mittels der Ansteuerung 20c ausgeschaltet wird. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems bietet den ganz besonderen Vorteil, dass es nicht nur ermöglicht mit stehendem Kühlwasser zu arbeiten, sondern auch mit – im Vergleich zum offenen Bypasszweig – geringen Mengen zirkulierenden Kühlwassers. Dies ist insbesondere für Betriebssituationen mit Heizung von Vorteil, da sich nun Vorteile bezüglich Kraftstoffverbrauch und Heizwirkung erzielen lassen. Insbesondere ist es auch möglich, die Kühlmitteltemperaturen durch Zuschalten der el. Zusatzpumpe im Verlauf des Warmlaufs ohne die Gefahr lokaler Überhitzung auf ein noch etwas erhöhtes Niveau anzuheben. Dies gilt für die Einbindung gemäß 3 ebenso wie für die Anordnung gemäß 4 mit umgekehrter Förderrichtung der el. Pumpe 2. In beiden Fällen besteht bei Durchströmung des Heizungswärmetauschers keine Gefahr, dass der Kühler ungewollt geöffnet wird, weil warmes Kühlmittel entlang des Thermostaten 6 strömt. Darüber hinaus bietet die Einbindung gemäß 3 den Vorteil, dass bei geschlossenem Zusatzventil eine Durchströmung des Motors vom Kopf zum Block erfolgt. Dies bringt Kraftstoffverbrauchsvorteile beim Zuschalten des anfangs kalten Heizkreislaufs und ganz besonders bei Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher. Diese Vorteile sind zum einen dadurch begründet, dass angesichts der tribologischen Erfordernisse im Zylinderkopf kaltes Kühlmittel weniger schädlich ist als im Bereich der Zylinderlaufbahn. Ein werterer Vorteil ergibt sich daraus, dass gegebenenfalls absinkendes Kaltwasser nicht unten im Wassermantel stehen bleibt sondern abgesaugt wird.

Umgekehrt ist speziell bei erhöhten Anforderungen an die Heizung normalerweise die Ausgestaltung gemäß 4 etwas günstiger, da der Zylinderblock und der Bereich Kurbelwelle/Ölwanne etwas weniger erwärmt werden. Das gilt ganz besonders bei der Einbindung des Ölkühlers gemäß 6, wo das am Heizungswärmetauscher 4 abgekühlte Kühlwasser dem Öl zusätzlich Wärme entzieht. Speziell bei relativ geringem Durchfluss durch den Heizungswärmetauscher sind die hier in Richtung besserer Heizwirkung übertragenen Wärmemengen durchaus signifikant. Die Einbindung stromab der Motorkühlmittelpumpe 7 hat den ganz besonderen Vorteil, dass bei geschlossenem Zusatzventil 6bv die Strömung durch den Motor sehr leicht zwischen dem Zustand gemäß 5 und 6 umgeschalten werden kann, d.h. es kann sehr leicht zwischen einer heizleistungsorientierten und einer mehr kraftstoffverbrauchsoptimierten Betriebsart umgeschaltet werden. Es genügt hierzu eine einfache Umpolung der el. Zusatzpumpe 2. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, die Zusatzpumpe 2 als Zahnradpumpe, G-Rotor-Pumpe oder Axial-Impeller-Pumpe auszugestalten, da bei diesen Pumpen prinzipbedingt eine Umkehrung der Förderrichtung sehr einfach ist. Solange das Zusatzventil 6bv geschlossen bleibt, ist der erforderliche Druck der el. Zusatzpumpe 2 für beide Strömungsrichtungen durch den Heizungswärmetauscher annähernd gleich. Dabei spielt es keine Rolle, wie schnell sich die Motorkühlmittelpumpe 7 dreht. Dies vereinfacht insbesondere die Verwirklichung von Durchflusskontrollstrategien durch den Motor bzw. durch den Heizungswärmetauscher erheblich, was sowohl für einen Betrieb in Richtung besserer Heizleistung sehr hilfreich ist aber auch für den Betrieb in Richtung besseren Kraftstoffverbrauchs.

Eine Durchflussstrategie für gleichzeitige Verbesserung von Heizleistung und Kraftstoffverbrauch unter Verwendung des Kühlkreislaufs gemäß 6 und 5 könnte damit z.B. so besonders vorteilhaft ausgestaltet werden:

Bei einem Kaltstart bei -10°C Umgebungstemperatur und 50 km/h, d.h. rel. geringe Motorlast, wird in einem ersten Schritt das Zusatzventil 6bv geschlossen, die el. Zusatzpumpe fördert das Kühlmittel in der in 6 gezeigten Richtung. Damit wird ein sicheres Defrosten der Windschutzscheiben sichergestellt bzw. ein Beschlagen der Scheiben wird vermieden. Nach Erreichen einer Mindest-Kühlmitteltemperatur wird dann die Gebläseleistung allmählich hochgefahren, so dass der Luftmassenstrom in die Fahrerkabine hinein steigt, wobei gleichzeitig die Luftströmung nun nicht mehr primär durch die Defrosterdüsen geleitet wird, sondern auch in Richtung Fußraum und gegebenenfalls in Richtung Mannanströmer.

Dabei ist es zur Maximierung der Kabinenheizwirkung vorteilhaft, wenn der Kühlmittelmassenstrom durch den Heizungswärmetauscher 4 so eingestellt wird, dass die Kühlmitteltemperatur an dessen Austritt spürbar unterhalb der Öltemperatur des durch den Ölkühler 40 strömenden Motoröls liegt. Je besser der Wärmenutzungsgrad des Heizungswärmetauschers bei relativ geringen Kühlmitteldurchflüssen ist, desto mehr Wärme lässt sich auf diesem Umweg über die Abkühlung des Motoröls für Heizzwecke gewinnen. Die reduzierten Wärmeverluste an die Umgebung überkompensieren bei sorgfältiger Abstimmung von Kühlmittevolumenstrom und Heizungswärmetaucherwirkungsgrad die Einbußen an Heizungswärmetauscherwirkungsgrad bei Reduktion des Kühlmittedurchsatzes. Für maximale Heizleistung ist es dabei insbesondere vorteilhaft, Heizungswärmetauscher in Gegenstrombauart zu verwenden, da diese bei Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes wesentlich weniger Wirkungsgradeinbuße haben als konventionelle Kreuzstromwärmetauscher.

Wenn in der Fahrerkabine die gewünschte Innenraumtemperatur erreicht ist, verhindert die luftseitige Regelklappe 5, dass die Innenraumtemperatur im Fahrzeug weiter ansteigt, indem ein Teil der in die Kabine geförderten Frischluft am Heizungswärmetauscher 4 vorbei geleitet wird.

Damit steigt die Kühlmitteltemperatur am Heizungswärmetauscheraustritt und dem Öl wird weniger oder gar keine Wärme mehr entzogen. Im weiteren Verlauf der Fahrt wird i.a. die Kühlmitteltemperatur weiter steigen, speziell wenn die am Heizungswärmetauscher entnommene Wärmemenge bei warmem Innenraum zusätzlich durch ein Zurücknehmen der Gebläseleistung abnimmt. Doch auch wenn das Kühlmittel mit Temperaturen oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 88°C aus dem Heizungswärmetauscher bzw. dem Ölkühler zum Motor zurückströmt bleibt der Thermostat 6 geschlossen, da das Kühlmittel nicht entlang des Dehnstoffelementes strömt. Damit wird sichergestellt, dass nicht unbeabsichtigt Wärme über den Kühler 8 abgegeben wird, bevor eine vollständige Erwärmung des Motors einschließlich des Kühlwassers und des Öls erfolgt ist.

Optional kann die el. Pumpe 2 nach Erreichen der gewünschten Innenraumtemperatur in der Förderleistung erhöht werden, um den Wärmeeintrag ins Motoröl dadurch zu erhöhen, dass das Kühlwasser wärmer am Ölkühler ankommt. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, weil mit Annäherung an kritische Bauteiltemperaturen bzw. an den kritischen Systemdruck eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb des Motors anzustreben ist.

Sobald die Motorlast bzw. die Kühlmitteltemperatur oder die Bauteiltemperatur oder der Kühlmitteldruck einen kritischen Wert überschreitet, öffnet das Zusatzventil 6bv. Damit strömt unmittelbar ein sehr hoher Kühlmittelstrom durch den Bypasszweig und durch den Motor und sorgt für einen Temperaturausgleich. Gegebenfalls öffnet das nun von warmem Kühlmittel umströmte Dehnstoffelement des Thermostaten 6 den Kühlerkreislauf 6a und regelt auf die Thermostat-Solltemperatur von z.B. 88°C. In vielen Fällen wird es mit Blick auf einen optimalen Kraftstoffverbrauch vorteilhaft sein, das Zusatzventil 6bv nach kurzer Zeit wieder zu schließen, da die wärmeaktiven Massen im Ausgleichsbehälter und im Bypasszweig bereits reichen, um thermische Lastspitzen wegzudämpfen. Gegebenfalls kann eine Ein/Aus-Regelung noch etwas an Kraftstoffverbrauchsvorteil nutzen, da die zeitlich mittlere Motorkühlmitteltemperatur dadurch oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur liegt.

Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv ist es bei der Anwendung gemäß 6 wichtig, dass die el. Zusatzpumpe 2 in der Lage ist, auch gegen die Druckdifferenz, den der bei geöffnetem Zusatzventil 6bv sehr hohe Kühlmitteldurchsatz durch den Motor dem Heizungswärmetauscherkreislauf 4a aufprägt, zu fördern. Das ist aber mit relativ geringem Aufwand realisierbar, zumal die el. Zusatzpumpe 2 nur relativ wenig Kühlmittel durch die Heizung fördern muss.

Die bisherigen Ausführungen zu 6 konzentrierten sich insbesondere auf die Aufgabenstellung „Beste Heizwirkung". Gleichzeitig kann aber die Ausgestaltung gemäß 6 durch einfaches Umpolen der el. Zusatzpumpe zum Kreislauf gemäß 5 umgeschaltet werden und dann als kraftstoffverbrauchsoptimiertes System arbeiten. Dies ist immer dann von ganz besonderem Interesse, wenn die Erfordernisse der Kabinenheizung relativ leicht zu erfüllen sind, d.h. bei geringem Heizbedarf oder überschüssiger Motorabwärme. Auch wenn in solchen Betriebssituationen bereits ohne Umpolung der el. Zusatzpumpe 2 Kraftstoffeinsparungen realisierbar sind, so führt die Umpolung doch zu einem zusätzlichen Reibleistungsvorteil, da nun das kalte Kühlmittel zuerst durch den Zylinderkopf strömt und vorgewärmt zum Wassermantel der Zylinderlaufbahn gelangt. Weitere Reibleistungsvorteile ergeben sich durch das Absaugen kalter Kühlwasserzonen im unteren Bereich der Zylinderlaufbahn und die Homogenisierung der Kühlmittel- und Öltemperaturen im Ölkühler 40.

Bei erhöhtem Kühlbedarf öffnet auch bei dieser Anwendung gemäß 5 und 6 das Zusatzventil 6bv und sorgt für eine sichere Wärmeabfuhr über den Kühler 8. In der besonders vorteilhaften Anwendung mit el. Impeller-Zusatzpumpe 2 kann in dieser Betriebsart gegebenenfalls auf den el. Antrieb verzichtet werden, da diese angesichts des anliegenden Druckgefälles und der geringen Kühlmittelviskosität bei hohen Kühlmitteltemperaturen frei mitläuft. Dies schont die el. Zusatzpumpe.

Die Anordnung gemäß 5 und 6 bietet hier den ganz besonderen Vorteil, dass selbst bei Ausfall der el. Impeller-Zusatzpumpe 2 noch der heute übliche Heizkomfort realisiert werden kann, indem einfach das Zusatzventil 6bv geöffnet wird.

Zusatzventile 6bv zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits am Markt verfügbar. Besonders zu bevorzugen sind hier einfache Auf/Zu-Ventile mit Vakuumdose oder mit Magnet als Aktuator.

Eine zusätzliche Absicherung bzw. Überwachung der Ventilposition ist angesichts der ohnehin vorhandenen Überwachung der Kühlwasser- oder Bauteiltemperatur mittels der Motorsteuerung 20 eigentlich nicht notwendig. Dies gilt insbesondere, wenn die Ventilstellung „Offen bei Ausfall der Aktuatorenergie" als Grundeinstellung gewählt wird, was bei Magnet- bzw. Vakuumaktuatoren kostenneutral möglich ist.

Dennoch ist, insbesondere als redundante Absicherung bei den ersten Serienanwendungen, ein Zusatzventil mit Sicherheits-Dehnstoffelement 6bs besonders vorteilhaft, so wie in 8 exemplarisch gezeigt. Hier steuert die Leitung 63 den Elektromagneten 6bf an und öffnet bei el. Bestromung den Teller 6bv gegen die Kraft der Feder 62. Liegt bei hoher Motordrehzahl ein zu großer Unterdruck an, so wird der Teller 6bv aufgesaugt. Ebenso öffnet der Teller 6bv, wenn der Stempel 66 des Sicherheits-Dehnstoffelements 6bs seine Grenztemperatur von beispielsweise 105°C überschreitet. Diese Sicherheitsfunktionalitäten sind hier exemplarisch an einem Tellerventil gezeigt. In analoger Weise können diese aber auch an einem Drehschieber bzw. Walzen- oder Kugelventil mit externer Hebelmechanik verwirklicht werden. Gegebenfalls muss das Dehnstoffelement dann etwas in das Kühlwasser hineinragen oder eine durchströmte Kühlwasserverbindung zum Dehnstoffelement hergestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Ausführung gemäß 9, bei der anstelle eines Dehnstoffelements ein von einem charakteristischen Kühlwasserdruck mit der Leitung 69 beaufschlagter Aktuator 6bx über einen Hubkolben oder eine Membran mit Stößel 66 das Aufdrücken bei Erreichen eines kritischen Zustands autark, d.h. unter Übersteuerung der Motorsteuerung übernimmt. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass die Einbauposition des Zusatzventils relativ frei wählbar ist. Bevorzugte Position der Druckentnahme ist dabei der Nahbereich nach dem Motorkühlmittelpumpenaustritt oder der Motorblock, aber auch Positionen am Austritt aus dem Motorkopf – oder gar am Ventileintrittsrohr wie z.B. in 12 exemplarisch gezeigt – können bei entsprechender Feinabstimmung verwendet werden. Als besonderes Merkmal wird bei dieser Ausgestaltung nicht eine lokale Temperatur, wie sie z.B. der Kühlmitteltemperatursensor bereits ohnehin erfasst, zur redundanten Absicherung herangezogen, sondern ein integrierendes Signal. Sobald bei hinreichender Befüllung des Kühlsystems mit Kühlwasser an irgendeiner Stelle des Motors Dampfblasen entstehen, wird der damit einhergehende Anstieg des Drucks der Druckentnahmestelle aufgeprägt und führt beim Überschreiten eines kritischen Wertes zum Öffnen des Zusatzventils 6bv. Diese Zweiteilung der Überwachungsprinzipien mit dem Temperatursensor der Motorsteuerung und dem autarken Aktuator mit Druckbeaufschlagung reduziert das Risiko bei einer Nachrüstung in bereits weitgehend fertig entwickelte Kühlkreisläufe auf ein Minimum. Ganz besonders hilfreich ist dies bei den Varianten mit Durchströmung des Motors vom Kopf zum Block bzw. bei Varianten mit Umschaltung der Durchströmungsrichtung.

Speziell für Systeme mit el. Zusatzpumpe 2 im Heizungskreis, wie z.B. in 3 bis 6, zeigt 10 in einem weiterführenden Schritt ein Zusatzventil, das nicht mehr über die Motorsteuerung 20 angesteuert wird, sondern direkt von einem Kolben, der mit einem charakteristischen Druck 69 des Kühlwasserkreislaufs beaufschlagt wird. Im Warmlauf stellt hier die el. Zusatzpumpe 2 sicher, dass auch bei geringer Motordrehzahl und bei geringer Systemtemperatur – und damit bei systembedingt geschlossenem Zusatzventil 2bv – bei Bedarf Heizleistung verfügbar ist.

Bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmitteldrucks, sei es wegen zu hoher Motordrehzahl und/oder wegen Überschreiten der zulässigen Bauteiltemperatur bzw. Dampfblasendichte, wird auch hier der Strömungspfad 67, 68 für den Bypasszweig geöffnet.

Mit dem Verzicht auf die direkte Ansteuerung über die Motorsteuerung 20 wird zwar ein Teil des Kraftstoffverbrauchseinsparpotenzials aufgegeben, da eine Anpassung des Öffnungsdrucks nicht für den ganzen Kennfeldbereich des Motors, der Motorkühlung und des Heizbedarfs möglich ist, die Vorteile bezüglich der Heizung bleiben aber weitestgehend erhalten.

Dem steht durch den Entfall des Magnetventils beim Vakuumaktuator bzw. durch den Entfall des Hubmagneten beim direkt angesteuerten Kühlwassermagnetventil nahezu eine Halbierung der Ventilkosten gegenüber. Das wird besonders an der erfindungsgemäßen Ventilausgestaltungen gemäß 11 deutlich:

Das autarke Zusatzventil arbeitet hier mit einem Drehschieber 106, der über den Hebel 105 und den Stößel 104 der externen Überdruckdose 100 angetrieben wird. Der Kühlmitteldruck gelangt über den Anschluss 103 in die Druckdose und öffnet bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen den atmosphärischen Gegendruck zuzüglich einer Vorspannkraft. Ein erheblicher Vorteil ist hier dadurch gegeben, dass es möglich ist, den Drehschieber so zu gestalten, dass sich die Druckverluste nahezu auf die Verluste der Rohrströmung der Zu- und Ableitung 67 und 68 reduzieren. Dies macht insbesondere die nachträgliche Systemintegration des Zusatzventils 6bv sehr einfach. Noch wichtiger ist aber der Vorteil, dass sich bei diesem Aktuator bereits bewährte Fertigungseinrichtungen und Werkzeuge heutiger Serienanwendungen nutzen lassen. Die Ventilkosten werden damit extrem gering und bieten dennoch sowohl die Funktionalität des Schließens im Warmlauf als auch der gleichzeitigen Sicherheitsüberwachung gegen Überhitzen des Motors.

Dabei kann gemäß 12 zur weiteren Systemvereinfachung in vielen Anwendungsfällen der Steuerdruck auch am Ventileintritt 67 entnommen werden, speziell wenn der Thermostat 6 und der Kühler 8 einen großen Anteil am Druckverlust im Motorkühlkreislauf aufweisen.

Die Ansteuerung über einen charakteristischen Kühlmitteldruck wird insbesondere dadurch begünstigt, dass die Einbindung des Rücklaufs vom Ausgleichsbehälter 9 zum Thermostaten 6 bzw. zur Motorkühlwasserpumpe 7 immer offen ist, so wie in 1-6 gezeigt. Eine Anbindung des Rücklaufs auf der kalten Kühlerseite wäre hier problematischer, da sich die Systemdrücke dann bei geöffnetem und geschlossenem Thermostaten stärker verschieben. Die erfindungsgemäße Einbindung der Entlüftungsleitung 9a hinter dem Zusatzventil 6bv sowie des Rücklaufs vom Ausgleichsbehälter 9 hilft also nicht nur eine erhöhte Kavitationsgefahr der Motorkühlmittelpumpe 7 und die Wärmeverluste des Entlüftungskreises in der Warmlaufphase zu vermeiden, sondern er ist auch hilfreich auf dem Weg zu einer extrem kostengünstigen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und gegebenenfalls der Heizleistung, speziell wenn z.B. zur Aufrechterhaltung der Kabinenheizung bei Motorstillstand ohnehin eine el. Zusatzpumpe 2 im Heizkreislauf vorgesehen werden soll.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühler 8 regelt und einem von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbaren Bypasszweig 6b mit Zusatzventil 6bv, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konvenzionellen Dehnstoff-Thermostaten, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf 4a und/oder sonstige auch bei geschlossenem Thermostaten 6 durchströmbare Kühlmittelzweige parallel zu einer oder mehreren Drucksenken in einem durch das Zusatzventil 6bv beeinflussbaren Strömungszweig angeordnet sind und dass dem Heizungswärmetauscherkreislauf und/oder den sonstigen auch bei geschlossenem Thermostaten 6 durchströmbaren Kühlmittelzweigen, bei reduziertem Kühl- bzw. Heizbedarf dadurch trotz drehender Motorkühlmittelpumpe 7 eine reduzierte Druckdifferenz bis hin zur Druckdifferenz Null aufgeprägt wird, dass das Zusatzventil 6bv teilweise oder ganz schließt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsbestimmende Druckdifferenz im Wärmetauscherkreislauf 4a und/oder den sonstigen auch bei geschlossenem Thermostaten 6 durchströmbaren Kühlmittelzweigen bei Kühl- bzw. Heizbedarf dadurch erzeugt oder angehoben wird, dass das Zusatzventil 6bv teilweise oder ganz öffnet.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a stromab des Zusatzventils 6bv entnommen und stromauf der Kühlmittelpumpe 7 wieder eingespeist wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a stromab der Kühlmittelpumpe 7 entnommen und stromauf des Zusatzventils 6bv wieder eingespeist wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Zusatzpumpe für einen definierten Durchfluss im Heizungswärmetauscherkreislauf 4a sorgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2 sowie 4-5, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Zusatzpumpe bei mit dem Zusatzventil 6bv geschlossenem Bypasszweig 6b für einen Temperaturausgleich innerhalb der Brennkraftmaschine 1 sorgt, und insbesondere, dass die Motorkühlmittelpumpe 7 und/oder der Thermostat 6 deutlich kühler bleiben als das Kühlwasser an der Zylinderlaufbahn.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2 sowie 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Zusatzpumpe bei mit dem Zusatzventil 6bv geschlossenem Bypasszweig 6b innerhalb der Brennkraftmaschine 1 eine im Vergleich zur Vollast-Förderrichtung der Motorkühlwasserpumpe 7 umgekehrte Kühlmittelströmungsrichtung, insbesondere eine Strömung vom Zylinderkopf zum Zylinderblock, herbeiführt, und insbesondere, dass die Kühlmittelpumpe 7 und/oder der Thermostat 6 deutlich kühler bleiben als das Kühlwasser an der Zylinderlaufbahn.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3 sowie 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung des Kühlmittels im Heizkreislauf 4a stromab des temperaturregelnden Aktuators im Thermostaten, insbesondere des Dehnstoffelementes, angeordnet ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf des Ausgleichsbehälters 9 auf der kalten Seite des Fahrzeugkühlers stromauf des Thermostaten 6 angeschlossen ist und dass der Zulauf zum Ausgleichsbehälter stromauf des Zusatzventils 6bv angeschlossen ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf des Ausgleichsbehälters 9 motorseitig stromauf der Motorkühlwasserpumpe 7, insbesondere am Heizungsrücklauf, erfolgt und dass der Zulauf zum Ausgleichsbehälter stromab des Zusatzventils 6bv angeschlossen ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Geschlossenhalten des Zusatzventils 6bv der autarke Thermostat 6 zumindest temporär aufgrund der mangelnden Anströmung des Aktuators vollständig oder teilweise am Öffnen gehindert wird und somit die Motorkühlmitteltemperatur von der Motorsteuerung frei einstellbar ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler stromab des Zusatzventils parallel zu den Drucksenken angeordnet ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2 sowie 4-12, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Zusatzpumpe 2 zumindest temporär für eine Umkehrung der Strömungsrichtung innerhalb des Motors sorgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrung der Strömungsrichtung durch Umpolung der el. Zusatzpumpe 2 erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrung der Strömungsrichtung durch Schließen des Zusatzventils und gleichzeitigen Betrieb der el. Zusatzpumpe 2 erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, 4-11, 13-15 dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler in Reihe mit dem Heizungswärmetauscher angeordnet ist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Umkehrung der Förderrichtung zwischen einer kraftstoffverbrauchsorientierten und einer heizleistungsorientierten Betriebsart umgeschaltet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsdurchströmung zumindest temporär von einer el. Zusatzpumpe 2 sichergestellt wird, und dass anstelle der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv mittels der Motorsteuerung 20 eine autarke Ansteuerung des Zusatzventils 6bv, insbesondere anhand des Kühlmitteldrucks, erfolgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck direkt auf den Aktuator des Zusatzventils 6bv wirkt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18-19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck in einem Bereich mit hohem statischem Druck, insbesondere im Nahbereich der Motorkühlwasserpumpe oder im Zylinderblock oder zumindest stromauf des Fahrzeugkühlers 8 entnommen wird.
  21. Vorrichtung zur Kühlung und Beheizung von Kraftfahrzeugen, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-20 zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühler 8 regelt und einem Bypasszweig 6b mit Zusatzventil 6bv, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, insbesondere Vorrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem konvenzionellen Dehnstoff-Thermostaten, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf 4a und/oder sonstige auch bei geschlossenem Thermostaten 6 durchströmbare Kühlmittelzweige parallel zu einer oder mehreren Drucksenken in einem durch das Zusatzventil 6bv beeinflussbaren Strömungszweig angeordnet sind und dass dem Heizungswärmetauscherkreislauf und/oder den sonstigen auch bei geschlossenem Thermostaten 6 durchströmbaren Kühlmittelzweigen, bei reduziertem Kühl- bzw. Heizbedarf dadurch trotz drehender Motorkühlmittelpumpe 7 eine reduzierte Druckdifferenz bis hin zur Druckdifferenz Null aufgeprägt wird, dass das Zusatzventil 6bv teilweise oder ganz schließt.
  22. Elektrisch angesteuertes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dehnstoffelement 6bs bei Überschreiten einer maximal zugelassenen Kühlmitteltemperaturerhöhung über die Nenntemperatur des Kühlerthermostaten 6 hinaus, die elektrische Ansteuerung autark übersteuert und den Strömungspfad 67, 68 für den Bypasszweig öffnet.
  23. Elektrisch angesteuertes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator 6bx bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmitteldrucks die elektrische Ansteuerung autark übersteuert und den Strömungspfad 67, 68 für den Bypasszweig öffnet.
  24. Autarkes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmitteldrucks den Strömungspfad 67, 68 für den Bypasszweig 6b öffnet.
  25. Autarkes Zusatzventil gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz kommt, der über eine Überdruckdose angetrieben wird und insbesondere, dass der Kühlmitteldruck bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen den atmosphärischen Gegendruck zuzüglich einer Vorspannkraft öffnet.
  26. Autarkes Zusatzventil gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz kommt, der über eine Überdruckdose angetrieben wird und insbesondere, dass der Kühlmitteldruck bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen eine Druckkammer definierten Innendrucks zuzüglich einer Vorspannkraft öffnet.
  27. Autarkes Zusatzventil nach einem der Ansprüche 23-26, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelsteuerdruck für die Überdruckdose dem Kühlmittel am Ventileintritt entnommen wird.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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