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Dokumentenidentifikation DE102004058869A1 08.06.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Heißkühlung von Verbrennungskraftmaschinen
Anmelder ATT AutomotiveThermoTech GmbH, 51429 Bergisch Gladbach, DE
Erfinder Himmelsbach, Johann, Dr.-Ing., 51789 Lindlar, DE
DE-Anmeldedatum 06.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058869
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   
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. Die Anströmung des Dehnstoffelements des Thermostaten wird insbesondere dadurch möglichst lange unterbunden, dass das Kühlmittel in einem ersten Kreislauf erst gar nicht am eigentlichen Thermostaten vorbeiströmt, bis bei erhöhtem Kühlbedarf ein schnelles Öffnen des el. Zusatzventils sicherstellt, 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 vorgestellt, bei welchem das Zusatzventil mittels des Kühlmitteldrucks direkt angesteuert wird und 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 Bypasszweig 6b, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert. Es ist insbesondere zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoffthermostaten geeignet.

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 Kraftstoffeinsparpotenzial 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.

Wie oben bereits ausgeführt, haben alle bekannten Wärmemanagementsystemen außerdem die Eigenheit, dass die technische Umsetzung der Heißkühlung, d.h. höhere Kühlmittel- bzw. Bauteiltemperaturen in der Teillast und niedrigerer Werte bei Vollast, erhebliche Kosten verursacht. Das gilt für alle bekannt gewordenen Arten el. geregelter Thermostatventile in Brennkraftmaschinen einschließlich des jüngst in die Serienanwendung gelangten Dreitellerthermostaten. Speziell bei diesem fallen neben den Kosten für die el. Beheizung des Dehnstoffelements die Kosten für die Abschaltung bzw. Drosselung des Heizungskreislaufs an.

Dabei lassen die Öffnungs- und Schließgeschwindigkeit bzw. die Umschaltgeschwindigkeit beim Dreitellerthermostaten durchaus noch Wünsche offen.

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 darüber hinaus auch dazu genutzt werden kann, einen weitgehenden 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 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 sollen. Noch besser wäre es in diesem Zusammenhang, wenn die Heizwirkung verbessert werden könnte 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.

Dabei eröffnen die einzelnen Ausgestaltungsvarianten dem Konstrukteur die Möglichkeit, den Auslegungsschwerpunkt wahlweise auf die Kosten zu legen und insbesondere mit bereits verfügbaren Serienbauteilen einschließlich des Heizungswärmetauschers auszukommen, so dass sich die Zusatzkosten trotz signifikanter Kraftstoffersparnis auf das Zusatzventil beschränken. Wahlweise kann er aber auch durch neue Heizungswärmetauscher in Gegenstrombauart und/oder gegebenenfalls den Einsatz el. Zusatzpumpen im Heizungskreislauf sowohl den Kraftstoffverbrauchsvorteil steigern als auch gleichzeitig den Heizkomfort verbessern.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist speziell die Option, den Kühlmitteldurchfluss durch die Heizung weitgehend frei zu wählen besonders attraktiv. So ist es insbesondere möglich, mit einem ganz gewöhnlichen Dehnstoffthermostaten 6 mit einer Öffnungstemperatur von beispielsweise 85°C zu arbeiten und sowohl ohne Kabinenheizung als auch mit Kabinenheizung alle denkbaren Kühlmitteltemperaturen bis hin zu 110–115°C im Heizkreislauf zirkulieren zu lassen, ohne dass der Dehnstoffthermostat 6 öffnet und unbeabsichtigt Wärme über den Kühler 8 an die Umgebung abgibt. Im einfachsten Fall genügt hierzu die Einbindung eines einfachen Auf/Zu-Zusatzventils 6bv, so wie es z.B. in 1 gezeigt ist. Solange das Zusatzventil 5bv geschlossen bleibt ist das Dehnstoffelement nicht von warmem Kühlmittel umströmt, der Thermostat bleibt geschlossen. Das im Heizkreislauf umlaufende Kühlmittel kann damit wahlweise mittels eines Ventils abgeschaltet oder mittels geeigneter Bauteildimensionierung bzw. den Einsatz von Verdrängerpumpen gedrosselt werden oder ungehindert strömen. Mit anderen Worten das im Heizkreislauf zirkulierende Kühlmittel kann in einem weiten Kennfeldbereich der Kühlmitteltemperatur und des motorinternen Wärmeübergangskoeffizienten zur Homogenisierung oder Erhöhung der Motorbauteiltemperatur bzw. für Heizzwecke herangezogen werden.

Gleichzeitig stellt das Zusatzventil 6bv sicher, dass bei einer plötzlichen Zunahme des Kühlbedarfs, insbesondere bei Vollast, durch das Öffnen des Bypasszweigs eine Bauteilüberhitzung sicher vermieden wird. Die Temperaturüberwachung kann hierbei u.a. durch die Motorsteuerung modellbasiert oder mittels der Temperaturmessstelle 20a erfolgen.

Ausgehend von kaltem Kühlerzweig 6a strömt dabei zunächst ein hoher Kühlmittelstrom bei geöffnetem Zusatzventil 6bv durch den Bypasszweig 6b, wobei unmittelbar mit dem Öffnen des Bypasszweigs bereits eine Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb des Motors einhergeht.

Bei längerem Kühlbedarf führt der sich einstellende Wärmeeintrag in das Dehnstoffelement des Thermostaten 6 zur teilweisen Öffnung des Thermostaten, d.h. zu völlig konventioneller Temperaturregelung, gegebenenfalls bis hin zum vollständigen Öffnen des Kühlerzwieigs 6a und schließen des Bypasszweigs 6b mittels des Dehnstofthermostaten 6. Ist der Lastsprung nur kurz, so schließt das Zusatzventil 6bv gegebenenfalls wieder und der Motor arbeitet wieder mit reduziertem Durchfluss auf erhöhter Kühlmittel- und die Bauteiltemperatur.

Im einfachsten Fall genügt zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankenguts, ausgehend von heutigen Serienkühlsystemen, das Einfügen des Zusatzventils 6bv und die Verlegung des Heizungswärmetauscheranschlusses an die unübliche Position stromab des Thermostaten 6.

Die Ansteuerung des Zusatzventils 6bv 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 bzw. besonders heißem 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 unter Anpassung des Kühlmitteldurchsatzes sowie des Heizungswärmetauschers neben geringeren Kraftstoffeinsparungen eine deutlich geringere 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 Serieneinsatz 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 ohnehin geringen Kosten für das Zusatzventil lassen sich noch weiter reduzieren, wenn man unter Verzicht auf die freie Ansteuerung des Zusatzventils über die Motorsteuerung das Kühlmittel selbst zur Ansteuerung einer Druckdose verwendet, welche dann z.B. über ein Gestänge das Ventil selbst ansteuert. Bei Überschreitung eines bestimmten Drucks verschiebt das einströmende Kühlwasser die Membrane der Druckdose gegen eine Federkraft einschließlich des Umgebungsdrucks oder des Doseninnendrucks und öffnet so das Zusatzventil. Eine derartige Ausgestaltung hat im Gegensatz zu konvenzionellen Temperaturüberwachungen den Vorteil, dass nicht eine einzige lokale Übertemperatur überwacht wird, sondern ein an beliebiger Stelle entstehender Dampf zu einer Druckerhöhung führt und damit das Ventil öffnet. Gleichzeitig öffnet das Ventil bei geeigneter Einbauposition mit hohem statischem Druck unabhängig von der Temperatur auch bei hohem Druck der durch hohe Motor- und damit Pumpendrehzahl entsteht. Mit anderen Worten, speziell im Bereich der Nennleistung besteht keine Fehlermöglichkeit durch falsche Temperaturinformationen. Darüber hinaus wird damit auch das Kavitationsrisiko der Motorkühlmittelpumpe bei hoher Drehzahl ausgeschaltet. Unter Verwendung der von Vakuumaktuatoren für EGR-Ventile oder auch für Heizungsventile bekannten Fertigungstechnologien lässt sich somit ein noch geringerer Preis für Ventil und Aktuator einschließlich Ansteuerung realisieren als mit einem Magnetventil. Auch wenn die freie Ansteuerbarkeit eines Zusatzventils mit Ansteuerung über die Motorsteuerung angesichts der besseren Abstimmmöglichkeiten etwas mehr Kraftstoffeinsparpotenzial verspricht, sind diese extrem geringen Kosten des direkt druckbetätigten Ventils sehr attraktiv.

Die bisherigen Ausführungen konzentrierten sich auf die Platzierung der Heizungswärmetauscherzuleitung auf eine Stelle stromauf des Zusatzventils bei gleichzeitiger Platzierung der Heizungswärmetauscherrückleitung auf der Saugseite, der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpeneintritt oder hinter dem Austritt aus dem der Pumpe vorgeschalteten Thermostaten 6.

Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in Verbindung mit einer el. Zusatzpumpe 2 anwenden, mit Platzierung der beiden Heizungswärmetauscheranschlüsse stromauf des Zusatzventils und auf der Druckseite der Motorkühlwasserpumpe, wahlweise direkt am Pumpenaustritt oder am Wassermantel der Zylinderlaufbahn. Entsprechende Beispiele sind in 25 gezeigt.

Bei geschlossenem Zusatzventil 6bv d.h. geschlossenem Bypasszweig 6b und geschlossenem Kühlerzweig 6a stellt sich dabei eine Druckdifferenz Null am Heizungswärmetauscher 4 ein, ebenso wie innerhalb des Motors 1. Hier lässt sich durch Öffnen und Schließen des Auf/Zu-Zusatzventils 6bv verbunden mit Ein- und Ausschalten der el. Zusatzpumpe 2 zwischen kraftstoffverbrauchsorientierten Einstellungen mit und ohne Heizung sowie einer Einstellung mit hohem Kühlbedarf mit geöffnetem Zusatzventils 6bv umschalten. Dabei ist bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und bei geschlossenem Kühlerzweig 6a insbesondere die Förderrichtung durch den Motor mittels Umpolung der el. Zusatzpumpe frei wählbar. Die hieran – je nach Motorabwärmeangebot und Heizleistungsbedarf für die Fahrerkabine – gekoppelten spezifischen Vorteile und die damit verbundnen zusätzlichen Kraftstoffeinsparpotentiale mit und ohne Heizung werden später noch detailliert an Ausführungsbeispielen beschrieben.

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 Brennkraftmaschine 1, Heizungswärmetauscher 4, doppelt wirkendem Dehnstoffthermostat 6 mit Bypassteller und Kühlerteller, Motorkühlmittelpumpe 7, Zusatzventil 6bv, Ölkühler 40, Motorsteuerung 20, Ausgleichsbehälter 9 sowie Fahrzeugkühler 8.

Der Fokus liegt hier zunächst auf der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs mit minimalen Änderungen an heute auf dem Markt anzutreffenden Kfz. Im einfachsten Fall beschränken sich die Änderungen auf die Verlegung des Heizungsrücklaufs an eine Position hinter dem Dehnstoffthermostaten 6 und vor der Motorkühlmittelpumpe 7, die Einfügung eines druckverlustarmen Zusatzventils 6bv, welches bei erhöhtem Kühlbedarf geöffnet wird sowie gegebenenfalls eine Anpassung der Durchflussrate durch den Heizungswärmetauscher, derart, dass der Durchfluss durch den Heizungszweig bei geöffnetem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerzweig 6a nur einen Bruchteil des Kühlmittelstroms im Bypasszweig 6b beträgt. Diese Abstimmung ist insbesondere vorteilhaft, um schnelle Reaktionszeiten beim Übergang auf hohen Kühlbedarf zu erzielen und um eine hohe Regelgüte unter Einhaltung der Thermostatsolltemperatur bei hohem Kühlbedarf sicherzustellen. Ein zu hoher Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig würde bei Motorvolllast und ausgeschalteter Heizung zwangsläufig zu einer Anhebung der effektiven Thermostat-Nenntemperatur führen, da ein Teil des umlaufenden Kühlmittels nicht in den Regelkreis des Dehnstoffthermostaten 6 miteinbezogen ist.

Dies sei nachfolgend anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht: Bei vielen Motoren liegt bei geschlossenem Kühlerkreis 6a das Verhältnis Bypassstrom 6b zu Heizungsstrom 4a in der Größenordnung 3,5 zu 1. Je nach Motorbetriebszustand liegen dabei i.a. Kühlmitteltemperaturdifferenzen zwischen Motorein- und Motoraustritt bis zu 6K vor, teilweise sogar bis zu 10K und mehr. Die erfindungsgemäße Zumischung von Kühlmittel stromab des Dehnstoffthermostaten 6, welches z.B. 10K wärmer ist als die Thermostatöffnungstemperatur, würde sich bei dem Verhältnis Bypasskühlmittelstrom zu Heizungskühlmittelstrom von 3,5 zu 1 wie eine Anhebung der effektiven Thermostatöffnungstemperatur um etwas mehr als 2K bedeuten. Bis zu mittleren spezifischen Motorleistungen ist dies noch akzeptabel, bei Hochleistungsturbomotoren vielfach jedoch bereits kritisch, so dass für diese Motorenbauart gegebenenfalls eine Reduktion des heizungsseitigen Kühlmittelstroms vorgenommen werden muss. Dies kann bereits in der Basisauslegung des Heizungszweigs erfolgen, unter Reduktion der Leitungsquerschnitte oder mittels Erhöhung des Druckverlustes im Heizungswärmetauscher bzw. in Verbindung mit einem aus heizungstechnischer Sicht ohnehin besonders vorteilhaften Wärmetauscher in Gegenstrombauart.

Die besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Heizkreislaufs derart, dass bei voll geschlossenem Thermostaten und voll geöffnetem Bypasszweig 80% oder mehr des motorinternen Kühlmitteldurchsatzes durch den Bypasszweig gehen, befreit den Anwender insbesondere von der Notwendigkeit für diese Problematik eine spezielle fahrzeugspezifische Abstimmungsstrategie anzuwenden.

Ist bereits ein zusätzliches Ventil im Heizungskreislauf verfügbar, z.B. bei Fahrzeugen mit wasserseitiger Regelung der Kabinenheizung oder um bei luftseitiger Regelung die ungewollte Erwärmung der Kabinenluft beim Betrieb ohne Heizung zu unterbinden, so ist es insbesondere vorteilhaft, zur Absenkung der effektiven Thermostatöffnungstemperatur mit diesem heizungsseitigen Ventil den Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig zu drosseln oder ganz zu unterbinden.

Die Ansteuerung des Zusatzventils 6bv und gegebenenfalls eines zusätzlichen Ventils im Heizungszweigs kann beispielsweise von der Motorsteuerung 20 erfolgen, welche über den Temperatursensor 20a den Kühlbedarf ermittelt. Gegebenenfalls wird zusätzlich ein thermisches Modell hinterlegt, welches z.B. anhand der in der zurückgelegten Wegstrecke integrierten Verläufe der Motorlast und Motordrehzahl sowie deren Momentanwerte festlegt, welche Betriebsart des Zusatzventils 6bv gewählt wird.

Bei geöffnetem Zusatzventil 6bv wird das Kühlmittel gemäß 1 von der Motorkühlmittelpumpe 7 durch die Brennkraftmaschine 1 gefördert, strömt über das Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b zum konventionellen Dehnstoffthermostaten 6. Während des Warmlaufs verschließt der kühlerseitige Teller des Dehnstoffthermostaten den Kühlerkreislauf 6a 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 Ölkühlerrücklaufs in den Thermostaten. Diese Leitung ist, da sie bei konventionellen Thermostaten 6 ursprünglich für die Heizung vorgesehen war, üblicherweise bei geöffnetem wie bei geschlossenem Thermostaten 6 zur Motorkühlmittelpumpe 7 hin offen. Stromauf 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 6b 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 Entlüftungskreislauf 9a, der Kühlerkreislauf 6a und die Durchströmung des Ölkühlers 40. Mit dem auf den Durchfluss im Heizungszweig reduzierten Kühlmitteldurchsatz 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 eine Überwachung gegen Überhitzen des Motors sichergestellt ist, kann das Zusatzventil 6bv geschlossen bleiben. Ist wegen zu hoher Pumpendrehzahl mit Kavitation an der Kühlmittelpumpe 7 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 6bv öffnet und den Bypasszweig nebst Ölkühler sowie den Entlüftungskreislauf 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 6bv zunächst geschlossen zu halten, 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 durch eine fest eingebaute Drosselstelle zusätzlich gedrosselt werden, oder der Rücklauf wird – wie in 6 gezeigt – auf die kalte Kühlerseite gelegt, was bei kavitationsunempfindlichen Motorkühlwasserpumpen 7 zulässig sein kann.

Solange keinerlei Strömung im Bypasszweig 6b 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 dabei 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 6bv, so dass ein allmähliches Zuschalten des Kühlers realisierbar ist. Auf diesem Wege lassen sich auch noch bei Wärmeabfuhr über den Kühler 8 erhöhte Bauteiltemperaturen realisieren.

Dabei nimmt das erfindungsgemäße Vorgehen gemäß 1 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 stehen, ist das erfindungsgemäße Vorgehen vorteilhaft.

Das Schließen des Zusatzventils 6bv bewirkt je nach Fördercharakteristik der Motorkühlmittelpumpe 7 eine gewisse Druckerhöhung und damit einen erhöhten Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher 4. Frühere Bemühungen verschiedenster Patentanmeldungen konzentrierten sich darauf, damit eine Verbesserung des Heizungswärmetauscherwirkungsgrades zu bewirken. Sowohl der Druckgewinn als auch die Verbesserung des Heizungswärmetauscherwirkungsgrades ist i.a. aber vergleichsweise gering und rechtfertigen für sich alleine den Aufwand für das Zusatzventil 6bv wohl kaum. Darüber hinaus hat sich inzwischen gezeigt, das es im Gesamtsystem auch bei Fokus auf bessere Heizleistung im Warmlauf und bei Heizleistungsdefizit vielfach günstiger ist, den Heizungswärmetauscher mit geringerem Durchfluss zu betreiben, um die Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren.

Wenn gleichzeitig eine Verbesserung der Heizleistung gefragt ist, so ist es ausgehend von 1 besonders vorteilhaft, das Zusatzventil 6bv zu schließen und gleichzeitig eine Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und den Heizungswärmetauscher vorzunehmen, wobei der Heizungswärmetauscher bevorzugt in Gegenstrombauweise auszugestalten ist.

2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer el. Zusatzpumpe 2 im Heizungszweig.

Das Kühlwasser für den Heizungskreislauf 4a wird hier hinter der Motorkühlwasserpumpe 7 oder im Wassermantel des Motorblocks entnommen und strömt bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreislauf 6a über den Zylinderkopf zurück zum Zylinderblock, d.h. die el. Zusatzpumpe 2 invertiert bei geschlossenem Bypassventil 6bv die Durchströmungsrichtung des Motors 1. Diese Invertierung der Strömung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn am Heizungswärmetauscher 4 Wärme für Heizzwecke entnommen werden muss oder wenn bei Betrieb ohne Heizung nach anfänglich stehendem Kühlwasser eine Homogenisierung der Motortemperatur erforderlich ist. Kaltwasserzonen im besonders reibleistungskritischen Wassermantelbereich entlang der Zylinderlaufbahn werden so abgesaugt, in den Motor zurückgefördertes kaltes Kühlwasser wird am weniger auf kalte Reibflächen sensitiven Zylinderkopf vorgewärmt.

Beim Öffnen des Zusatzventils 6bv fördert die el. Zusatzpumpe gemäß 2 das Kühlmittel mit Unterstützung durch die Motorkühlmittelpumpe 7 durch den Heizungswärmetauscher 4. Die Durchströmungsrichtung des Motors erfolgt nun wieder vom Block zum Kopf, da die hohe Förderleistung der Motorkühlmittelpumpe 7 die Durchflussrichtung bestimmt. Speziell bei Anwendungen mit Gegenstromheizungswärmetauscher und besonders geringem Kühlmittelvolumenstrom im Bereich von 2 l/min und weniger mit vergleichsweise geringer el. Antriebsleistung der el. Zusatzpumpe ist es am einfachsten, die el. Pumpe einfach weiterlaufen zulassen.

Im Vergleich zu bekannten Systemen einschließlich des Dreitellerthermostaten stellt sich bei Wärmeentnahme am Gegenstromwärmetauscher durch den Heizungswärmetauscher nicht der Nachteil ein, dass bei stark gedrosseltem Kühlmitteldurchsatz nicht nur der Wirkungsgrad des Heizungswärmetauschers stark einbricht, sondern sich auch eine sehr ungleichmäßige Lufttemperatur hinter dem Heizungswärmetauscher ergibt, gekoppelt mit entsprechenden Problemen, speziell bei Mehrzonenklimaanlagen mit luftseitiger Kabinentemperaturregelung. Dies bedeutet u.a., dass ein kraftstoffverbrauchsoptimaler Betrieb mit reduziertem Kühlmitteldurchsatz sowohl im Warmlauf als auch bei weitgehend betriebswarmem Motor bei eingeschalteter Kabinenheizung bei vielen bekannten Wärmemanagement Systemen nur sehr eingeschränkt möglich ist. Dieser Nachteil tritt bereits bei Fahrsituationen auf, bei denen eigentlich durchaus genügend Abwärme für die Heizung verfügbar ist, verschlimmert sich aber noch, sobald eine sehr große Heizleistung bei geringer Motorlast entnommen wird.

Von besonderem Vorteil ist es zur optimalen Unterscheidung zwischen heizleistungs- und Kraftstoffverbrauchsorientiertem Betrieb, dass die Förderrichtung der el. Pumpe 2 bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geschlossenem Kühlerkreis je nach Anforderung bezüglich Heizen, Kühlen und Heißkühlen umgedreht werden kann. Insbesondere bei Verdrängerpumpen und Axialpumpen kann dies einfach durch Umkehren der Pumpendrehrichtung erfolgen.

Mit Blick auf das Kosteneinsparpotenzial bei Verwendung bereits verfügbarer Serienbauteile ist es aber durchaus auch möglich, bei der el. Zusatzpumpe 2 keine Neukonstruktion zu verwenden. Um Kraftstoffverbrauchsvorteile mit besonders kostengünstigen konventionellen Kfz-Heizungspumpen, insbesondere mit Radial-Impellerpumpem, zu realisieren, kann die Umkehrung der Strömungsrichtung von invertierter Motordurchströmung auf normale Motordurchströmung durch Öffnen des Bypassventils 6bv bei gleichzeitigem Abschalten der el. Zusatzpumpe 2 besonders einfach und kostengünstig erfolgen.

Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 2 bzw. mit umgekehrter Förderrichtung der el. Pumpe in 3 ermöglicht es, mit minimalem Bauteilaufwand sowohl stehendes Kühlwasser innerhalb des Motors als auch eine Durchströmung vom Kopf zum Block als auch die Durchströmung vom Block zum Kopf zu realisieren. In Verbindung mit der el. Ansteuerung des el. Zusatzventils und der el. Zusatzpumpe mittels der Motorsteuerung 20 ergibt sich darüber hinaus eine weitgehend freie Einstellbarkeit der Kühlmittel- bzw. Motorbauteiltemperatur. Das Kosten/Nutzen-Verhältnis in Bezug auf den erzielbaren Kraftstoffverbrauchsvorteil ist damit wesentlich günstiger als bei bisher bekannten Wärmemanagementmaßnahmen. Neben den Kraftstoffverbrauchsvorteil mit und ohne Heizung treten in Verbindung mit den heizleistungsorientierten Ergänzungsmaßnahmen weitere Vorteile durch eine verbesserte Heizleistung und gegebenenfalls den Entfall der Kosten für Zuheizmaßnahmen.

Wenn 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 oder um den Turbolader nach Abstellen des Motors zu kühlen, verbessert sich das Kosten/Nutzen-Verhältnis noch weiter.

Dabei wirkt es sich insbesondere kostensenkend aus, wenn die Umschaltung der Förderrichtung in den Normalbetrieb durch einfaches Abschalten der el. Zusatzpumpe 2 realisiert werden kann, da dann die Lebensdaueranforderungen an die Zusatzpumpe deutlich abgesenkt werden können. Verfügbare Low-Cost-Heizungs- bzw. Turbonachlaufpumpen mit einfachen Bürstenmotoren genügen hier bereits.

Wie bereits beschrieben, ermöglichen sowohl die Ausgestaltung gemäß 2 als auch gemäß 3 die Einstellung stehenden Kühlmittels, wenn die el. Zusatzpumpe 2 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 ermöglicht, einerseits mit stehendem Kühlwasser zu arbeiten, andererseits aber auch mit – im Vergleich zum Betrieb mit offenem 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 2 ebenso wie für die Anordnung gemäß 3 mit umgekehrter Strömungsrichtung. 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 2 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 weiterer 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 3 etwas günstiger, da der Zylinderblock und der Bereich Kurbelwelle/Ölwanne etwas weniger erwärmt werden. Das gilt ganz besonders bei der Einbindung des Ölkühlers 40 gemäß 5, 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 4 und 5 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-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 die gleichzeitige Verbesserung von Heizleistung und Kraftstoffverbrauch unter Verwendung des Kühlkreislaufs gemäß 5 und 4 könnte damit z.B. folgendermaßen besonders vorteilhaft ausgestaltet werden: Bei einem Kaltstart bei –10°C Umgebungstemperatur und 50 km/h, d.h. bei rel. geringer Motorlast, wird in einem ersten Schritt das Zusatzventil 6bv geschlossen, die el. Zusatzpumpe fördert das Kühlmittel in der in 5 gezeigten Richtung. Damit wird ein sicheres Defrosten der Windschutzscheiben sichergestellt bzw. ein Beschlagen der Scheiben wird vermieden. Wach 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 Heizungswärmetauscherwirkungsgrad 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 und gleichzeitig innerhalb des Ölkühlers ein etwas besserer Wärmeübergangskoeffizient vorliegt. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, weil mit Annäherung an kritische Bauteiltemperaturen bzw. an den kritischen Kühlsystemdruck eine homogenere Temperaturteilung 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 5 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 nur relativ wenig Kühlmittel durch die Heizung fördern muss.

Die bisherigen Ausführungen zu 5 konzentrierten sich insbesondere auf die Aufgabenstellung „Beste Heizwirkung". Gleichzeitig kann aber die Ausgestaltung gemäß 5 durch einfaches Umpolen der el. Zusatzpumpe zum Kreislauf gemäß 4 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 4 und 5 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 bzw. durchströmt wird. Dies schont die el. Zusatzpumpe.

Die Anordnung gemäß 4 und 5 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 7 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 8, 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 direkt auf der Druckseite des Zusatzventils 6bv können bei entsprechender Feinabstimmung verwendet werden. Als besonderes Merkmal wird bei dieser Ausgestaltung nicht eine lokale Temperatur, wie sie z.B. der Kühlmitteltemperatursensor der Motorsteuerung 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.

In einem weiterführenden Schritt zeigt 9 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.

Bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmitteldrucks wird hier der Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig geöffnet. Damit wird zwar ein Teil des Kraftstoffverbrauchseinsparpotenzials aufgegeben, da eine optimale 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 Kosten gegenüber. Das wird besonders an der erfindungsgemäßen Ventilausgestaltung gemäß 10 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.

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 15 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 sie ist auch hilfreich auf dem Weg zu einer extrem kostengünstigen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und gegebenenfalls der Heizleistung.

In den allermeisten Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens genügt eine einfache Auf/Zu-Ventilansteuerung des Zusatzventils 6bv. Dies liegt zum einen daran, dass beim Warmlauf und in einem weiten Teillast Arbeitsbereich bereits die wärmeaktiven Massen des inneren Kühlkreislaufs und die Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher dafür sorgen, dass der Motor nicht überhitzt. Zum andern hilft aber auch das unmittelbare Ansprechen der Kühlwirkung beim schlagartigen Öffnen des Zusatzventils, bereits lange bevor der Kühlerkreislauf öffnet. Eine sehr schnelle Erwärmung des Dehnstoffelements führt bei voller Anströmung des mit deutlich über der Thermostatöffnungstemperatur liegendem Kühlwasser im plötzlich geöffneten Bypasszweig aber gegebenenfalls auch schnell auf die bei längerer Volllast erwünschte Absenkung der Kühlmitteltemperatur.

Wird anstelle der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv über die Motorsteuerung 20 die erfindungsgemäße Variante mit autarkem Zusatzventil 6bv eingesetzt, insbesondere mit direkter Druckbeaufschlagung des Aktuators, z.B. mit einem Zusatzventil gemäß 10 oder 11, so geht ein Teil des Spielraums bezüglich des Kraftstoffeinsparpotentials dadurch verloren, dass für den Umschaltvorgang mehr Zeit benötigt wird bzw. dass etwas mehr Sicherheitsabstand zum kritischen Systemdruck gehalten werden muss. Im Gegenzug fallen nicht nur die Kosten dramatisch, ein Teil der Nachteile wird insbesondere dadurch kompensiert, dass die druckbasierte Führung des Bypassventils Einstellungen mit teilgeöffnetem Kühler und insbesondere Betriebssituationen mit angehobener Motorteillast sehr gut regelt und in diesen Betriebssituationen immer noch für ein erhöhtes Bauteiltemperaturniveau der reibleistungsrelevanten Stellen im Motor sorgt. Dies ist zwar prinzipiell auch mit der Auf/Zu-Ansteuerung eines Vakuumventils oder Magnetventils durch die Motorsteuerung möglich, doch ergibt sich daraus ein etwas erhöhter fahrzeugspezifischer Applikationsaufwand des Motors. Vor diesem Hintergrund ist das autarke Ventil gemäß 10 bzw. 11 durchaus eine attraktive Alternative zum System Ansteuerung des Zusatzventils 6bv über die Motorsteuerung.

Die bisherige Beschreibung der erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten und Vorrichtungen, unter Berücksichtigung der Vorteile der Heißkühlung in der Teillast und der Aufgabenteilung bezüglich sicherem Umschalten von Heißkühlung auf Normal- bzw. Vollastkühlung mit einem druckbetätigten Ventil 6bv einerseits und der Regelung der Kühlerleistung mit einem autarken Dehnstoffthermostaten 6 andererseits, erfolgte anhand exemplarischer Anwendungen, insbesondere in Verbindung mit besonders vorteilhaften Einbindungen des Entlüftungszweigs 9a und des Heizungszweigs 4a.

Das erfindungsgemäße Gedankengut ist aber auch ganz allgemein vorteilhaft anwendbar für Verfahren und Vorrichtungen zum Betrieb von Kühl- und Heizkreisläufen für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen mit kühlmittelbeaufschlagten Thermostatventilen zur Regelung der Kühlerleistung. Eine ebenso kostengünstige wie sichere Überwachung der Heißkühlung mit sehr hoher Regelgüte bei erhöhtem Kühlbedarf ergibt sich dabei ganz grundsätzlich dadurch, dass ein kühlmitteldruckbetätigtes erstes Ventil 6bv bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts für den Kühlmittelabsolutdruck oder den Kühlmittelrelativdruck relativ zu einem Druck außerhalb des Kühlsystems einen Steuerkühlmittelstrom durch das kühlmitteltemperaturbetätigte Thermostatventil 6 freigibt, so dass dieses die Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler 8 auf Temperaturwerte nahe der Thermostatnenntemperatur regelt. Dabei erfolgt insbesondere eine Mischung des Steuerkühlmittelstroms mit dem Kühlervolumenstrom vor oder am Dehnstoffelement des Thermostaten 6, so dass sich zumindest bei entsprechend hohem Steuerkühlmittelstrom für beide Zumischpositionen eine Mischtemperatur nahe der Thermostatnenntemperatur einstellt, d.h. der autarke Thermostat entnimmt aus dem Kühlerzweig nur soviel abgekühltes Kühlmittel, wie gerade benötigt wird, um die Brennkraftmaschine nahe der Thermostatnenntemperatur von beispielsweise 88°C zu kühlen. Damit wird insbesondere sichergestellt, dass eine Unterkühlung oder gar ein Thermoschockrisiko für den Motor nicht entsteht. Eine direkte Betätigung eines Kühlerventils mittels des Kühlmitteldrucks würde im Vergleich zu diesem Umweg über den Thermostaten 6 nicht zu einer akzeptablen Kühlmitteltemperaturregelung führen, da der Regelung zwangsläufig die Information über die Kühlertemperatur bzw. das Kühlpotential des Kühlers fehlen würde. Umgekehrt fehlt den heute üblichen Kühlsystemen mit konventionellen Dehnstoffthermostaten aber auch Wärmemanagementsystemen mit Dreitellerthermostat nicht nur die integrale Druckinformation bezüglich lokaler Bauteilüberhitzung und gegebenenfalls Kavitationsgefahr wegen zu hoher Pumpendrehzahl, sondern i.a. auch ein hinreichend schnelles Ansprechen des Aktuators.

Dabei sind bei der Einbindung des Steuerstroms bestimmte Konstruktionsrichtlinien zu berücksichtigen, wie sie oben bereits teilweise beschrieben sind. Besonders einfach und sicher ist es, wenn der Steuerstrom zumindest in Phasen mit sehr hohem Kühlpotential des Fahrzeugkühlers 8 und hohem Kühlbedarf der Brennkraftmaschine 1 mindestens so groß ist, dass sich innerhalb der Brennkraftmaschine in Verbindung mit nicht durch den Thermostaten 6 geführten Kühlmittelzweigen eine annähernd homogene Kühlmittelsolltemperatur einstellt, so dass insbesondere bei geöffnetem Steuerstrom weniger als 10K Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt in die Brennkraftmaschine resultieren. Damit wird insbesondere für Teillast wie für Volllast sichergestellt, dass die thermischen Spannungen im Motor gering bleiben.

Speziell wenn eine möglichst niedrige Kühlmitteltemperatur für die Brennkraftmaschine erforderlich ist, ist es vorteilhaft, den Steuerstrom so entlang des temperatursensitiven Bereichs des Thermostatventils 6 zu führen, dass dieser direkt auf das Dehnstoffelement trifft. Damit wird etwas mehr kaltes Kühlmittel aus dem Kühler entnommen als bei homogener Durchmischung. Umgekehrt lässt sich bei guter Durchmischung, speziell wenn die Mischung bereits stromauf des Dehnstoffelementes erfolgt, ein etwas geringerer Gesamtvolumenstrom durch die Brennkraftmaschine realisieren und es ergibt sich eine etwas bessere Regelgüte mit etwas verbessertem Kraftstoffverbrauch. Insbesondere bei guter Mischung stromauf des Dehnstoffelementes stellen sich speziell bei langsamem wie bei schnellem Öffnen des Steuerstroms relativ sanfte Übergänge ein.

Aus Kostengründen, aber auch für eine besonders einfache und sichere Applikation, ist es besonders vorteilhaft, wenn das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv durch einen direkt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator betätigt wird und dabei den Steuerstrom durch das Thermostatventil herbeiführt. Wird der Öffnungsdruck für das Zusatzventil z.B. auf relativ konservative 1,5 bar Absolutdruck festgelegt und liegt der Öffnungsdruck des Überdruckdeckels im Ausgleichsbehälter bei den heute in vielen Anwendungen zu findenden 2,4 bar Absolutdruck, so ist bereits eine durchaus kraftstoffverbrauchsrelevante Bandbreite sichergestellt, in der man auch bei schwankender Motordrehzahl im Bereich der Heißkühlung fährt. Ein Risiko bezüglich Überhitzen besteht angesichts des relativ niedrigen Ventilöffnungsdrucks von 1,5 bar nicht. Selbst bei einem gewissen Verlust von Kühlwasser, d.h. wenn das Luft/Dampf-Volumen des Ausgleichsbehälters zunimmt und damit insbesondere eine etwas verzögerte Regelcharakteristik bewirkt, ist ein derartiges System noch betriebssicher. Gegebenfalls kann zur Absicherung aber auch die Information des Kühlmittelstandssensors von der Motorsteuerung verarbeitet werden.

Auch wenn bei hoher Heizleistungsentnahme die Temperatur am Heizungsrücklauf in der unteren Teillast stark absinkt und gegebenenfalls bei Stationärfahrt speziell bei sehr kleinem Heizungswärmetauschervolumenstrom unter der Thermostatöffnungstemperatur liegt und sich eine relative hohe Kühlmitteltemperaturzunahme zum Motoraustritt hin einstellt, öffnet das System sicher, sobald sich lokal Dampfblasen innerhalb des Motors bilden. Ein plötzlicher Übergang zu hoher Motorleistung stellt ausgehend von diesem Betriebszustand kein Problem dar, da das Zusatzventil hier ebenfalls angesichts der Dampfblasenbildung bzw. des erhöhten Motorkühlmittelpumpendrucks bei erhöhter Drehzahl öffnet.

Selbst wenn bei heutigen Brennkraftmaschinen anstelle des üblichen Wasser-Glykol-Gemischs versehentlich reines Wasser in den Kühlkreislauf eingefüllt wird, ist ein derartiges System noch betriebssicher. Der höhere Dampfdruck im Kühlsystem führt dann lediglich zu einem früheren Öffnen des Zusatzventils.

Diese Verträglichkeit bezüglich der einzelnen Toleranzen und der Betriebsschwankungen der einzelnen Einflussparameter ist ein ganz wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Gegenzug zur direkten Ventilbetätigung können die erfindungsgemäßen Vorteile aber auch mit einem indirekt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator realisiert werden. Dabei erfolgt die indirekte Kühlmitteldruckbetätigung mittels eines Drucksensors über eine Auswerteeinheit, insbesondere die Motorsteuerung 20, die den Aktuator des kühlmitteldruckbetätigten ersten Ventils ansteuert. Die Vorteile der freien Ansteuerung liegen dabei insbesondere in der Möglichkeit, die Hysterese beim Öffnen und Schließen anzupassen und eine verfeinerte und gegebenenfalls zusätzlich kennfeldbasierte Ansteuerung bezüglich der Heizleistung und des Kraftstoffverbrauchs vorzunehmen. Da aus verschiedensten Gründen eine Überwachung des Kühlmitteldrucks ohnehin wünschenswert wäre, u.a. zur redundanten Füllstandsüberwachung, fallen bei solchen Anwendungen die Kosten für einen derartigen Drucksensor gar nicht ins Gewicht sondern lediglich die Mehrkosten für den separaten Aktuator einschließlich dessen Ansteuerung durch die Motorsteuerung.

Die Vorteile der Vorgehensweise, die die Summe aus Systemdruck und überlagertem Motorkühlmittelpumpendruck zur Druckbetätigung des Steuerventils heranzieht, bezüglich der Betriebssicherheit wurden bereits ausführlich beschrieben. Das System kann – verbunden mit einem gewissen Mehraufwand – aber auch mit dem Kühlmittelsystemdruck alleine betrieben werden, wenn entsprechend feinfühlige Drucksensoren in Verbindung mit Motorkennfeldern verwendet werden oder wenn feinfühlige Absolutdruckdosen zum Einsatz kommen, die insbesondere auch im Bereich um 1,0 bar Kühlmittelabsolutdruck hinreichend Kraftreserven zur direkten Druckbetätigung aufbringen. Die Druckentnahme könnte dann insbesondere im Ausgleichsbehälter 9 erfolgen, wo das über dem Wasser liegende Luft/Dampf-volumen eine Dämpfung der über die Motordrehzahlschwankungen entstehenden Druckschwankungen vornimmt. Der Sicherheitsaspekt, dass das Ventil bei hoher Motorleistung zwangsläufig und unmittelbar bei Einstellung einer erhöhten Motordrehzahl auf erhöhte Kühlleistung umschaltet, wäre damit zwar verloren, im Gegenzug resultiert daraus aber der Vorteil, dass bei entsprechender Dimensionierung im zeitlichen Mittel etwas häufiger bei Heißkühlbetrieb gefahren wird. Speziell bei rel. kavitationsunempfindlichen Motoren und Motoren mit nicht bis aufs letzte ausgereizter Kühlreserve, die insbesondere mit rel. großer Volllastkühlmitteltemperaturdifferenz über dem Motor keine Problem aufweisen, ist dies von besonderem Interesse.


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 Bypasszweig 6b, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff-Thermostaten mit von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbarem Zusatzventil 6bv, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf 4a und/oder sonstige auch bei geschlossenem Thermostatventil 6 durchströmbare Kühlmittelzweige derart stromab des Thermostatventils 6 in das Kühlsystem eingebunden sind, dass das Thermostatventil 6 durch Schließen des Zusatzventils 6bv im Bypasszweig 6b einen so geringen Wärmeeintrag erfährt, dass dieses bis weit über die Thermostat-Nenntemperatur hinaus geschlossen bleibt, und dass das Thermostatventil 6 durch Öffnen des Zusatzventils 6bv aufgrund der Anströmung durch den Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b nahe seiner Nenntemperatur arbeitet indem es den Kühlmittelstrom im Kühlerzweig 6a entsprechend regelt.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv dazu verwendet wird, den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 temporär, insbesondere im Motorwarmlauf und in der Teillast, sehr stark zu reduzieren oder vollständig zu unterbinden.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion/Unterbindung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine 1 durch das Zusatzventil 6bv alleine erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion/Unterbindung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine 1 durch das Zusatzventil 6bv in Verbindung mit zusätzlichen Eingriffen erfolgt, insbesondere mit einem weiteren Kühlmittelventil oder mittels einer Verdrängerpumpe oder mittels sonstiger Durchflussbegrenzungsorgane im Heizkreislauf 4a.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a stromauf des Zusatzventils 6bv entnommen und zwischen Thermostatventil 6 und Motorkühlwasserpumpe 7 wieder eingespeist wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a von einer el. Zusatzpumpe 2 stromauf des Zusatzventils 6bv entnommen und stromab der Motorkühlmittelpumpe 7 wieder eingespeist wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Heizungswärmetauscherkreislauf 4a von einer el. Zusatzpumpe 2 stromab der Motorkühlmittelpumpe 7 entnommen und stromauf des Zusatzventils 6bv wieder eingespeist wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Zusatzpumpe 2 für einen definierten Durchfluss im Heizungswärmetauscherkreislauf 4a sorgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Zusatzpumpe 2 bei Öffnen des Zusatzventils 6bv ausgeschaltet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Zusatzpumpe 2 eine Umkehrung der Förderrichtung des Kühlmittels durch die Brennkraftmaschine 1 entgegen der Förderrichtung der Motorkühlmittelpumpe 7 bewirkt, die insbesondere bei geschlossenem Zusatzventil 6bv und geringer Motordrehzahl zur Kraftstoffeinsparung eingesetzt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, 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.
  12. Verfahren zum kavitationsarmen Betrieb eines Kühl- und Heizkreislaufes von Brennkraftmaschinen, insbesondere Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10 mit temporärer Abschaltung des Entlüftungszweigs 9a über ein Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf des Ausgleichsbehälters 9 motorseitig stromauf der Motorkühlwasserpumpe 7, insbesondere am stets zur Kühlmittelpumpe hin offenen Heizungsrücklauf, erfolgt und dass der Zulauf zum Ausgleichsbehälter 9 stromab des Zusatzventils 6bv angeschlossen ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass der autarke Thermostat 6 durch das Geschlossenhalten des Zusatzventils 6bv 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.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler stromab des Zusatzventils 6bv angeordnet ist und erst bei Öffnen des Zusatzventils durchströmt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Umpolung der el. Zusatzpumpe 2, eine Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Brennkraftmaschine 1 erfolgt, insbesondere, dass eine Axialpumpe zum Einsatz kommt, die durch Umkehr der Laufrichtung des Laufrades die Umkehrung der Strömungsrichtung bewirkt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schließen des Zusatzventils 6bv und gleichzeitigen Betrieb der el. Zusatzpumpe 2 eine Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Brennkraftmaschine 1 erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13 oder 15–16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ölkühler 40 in Reihe mit dem Heizungswärmetauscher 4 angeordnet ist.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Umkehrung der Förderrichtung durch die Brennkraftmaschine 1 zwischen einer kraftstoffverbrauchsorientierten und einer heizleistungsorientierten Betriebsart umgeschaltet wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Ansteuerung des Zusatzventils 6bv mittels der Motorsteuerung 20 eine autarke Ansteuerung des Zusatzventils 6bv, insbesondere anhand des Kühlmitteldrucks, erfolgt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck direkt auf den Aktuator des Zusatzventils 6bv wirkt.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19–20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck in einem Bereich mit hohem statischem Druck, insbesondere im Nahbereich der Motorkühlwasserpumpe 7 oder im Zylinderblock entnommen wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19–21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldruck direkt auf einen Aktuator wirkt, der seine Antriebskraft aus dem Druckgleichgewicht zwischen dem Kühlmitteldruck und einer Vorspannkraft, insbesondere dem entgegenwirkenden atmosphärischen Druck zuzüglich einer Vorspannkraft bezieht.
  23. Vorrichtung zur Kühlung und Beheizung von Kraftfahrzeugen, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–22 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, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff-Thermostaten mit von der elektronischen Motorsteuerung 20 beeinflussbarem Zusatzventil 6bv, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf 4a und/oder sonstige auch bei geschlossenem Thermostatventil 6 durchströmbare Kühlmittelzweige derart stromab des Thermostatventils 6 in das Kühlsystem eingebunden sind, dass das Thermostatventil 6 durch Schließen des Zusatzventils 6bv im Bypasszweig 6b einen so geringen Wärmeeintrag erfährt, dass dieses bis weit über die Thermostat-Nenntemperatur hinaus geschlossen bleibt, und dass das Thermostatventil 6 durch Öffnen des Zusatzventils 6bv aufgrund der Anströmung durch den Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b nahe seiner Nenntemperatur arbeitet indem es den Kühlmittelstrom im Kühlerzweig 6a entsprechend regelt.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv in der Bypassleitung 6b vor einem doppelt wirkenden autarken Thermostatventil 6 angeordnet ist, bei dem ein kühlerseitiger Ventilteller den Kühlerzweig 6a bei Erreichen der Regelsolltemperatur nach und nach öffnet und gleichzeitig ein bypassseitiger Ventilteller den Bypasszweig nach und nach schließt.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv in der Bypassleitung 6b eines einfach wirkenden autarken Thermostatventils 6 angeordnet ist, bei dem ein kühlerseitiger Ventilteller den Kühlerzweig 6a bei Erreichen der Regelsolltemperatur nach und nach öffnet und nicht gleichzeitig ein bypassseitiger Ventilteller den Bypasszweig nach und nach schließt.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23–25, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchsatz durch den Bypasszweig 6b bei geschlossenem Thermostatventil 6 und voll geöffnetem Zusatzventil 6bv mehr als 80% des Gasamtkühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine beträgt.
  27. Elektrisch angesteuertes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1–26, 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.
  28. Elektrisch angesteuertes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1–26, 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.
  29. Autarkes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1–26, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmittelabsolutdrucks den Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig öffnet.
  30. Autarkes Zusatzventil, insbesondere Zusatzventil 6bv für die Realisierung der Verfahren und Kühlvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1–26, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Kühlmitteldruck 69 beaufschlagter Aktuator bei Überschreiten eines maximal zugelassenen Kühlmittelrelativdrucks relativ zum atmosphärischen Druck den Strömungspfad 67,68 für den Bypasszweig öffnet.
  31. Autarkes Zusatzventil nach einem der Ansprüche 29–30, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzventil ein Drehschieber zum Einsatz kommt, der über eine externe Überdruckdose angetrieben wird und insbesondere, dass der Kühlmitteldruck bei Überschreiten eines Sollwerts das Ventil gegen den atmosphärischen Gegendruck zuzüglich einer Vorspannkraft öffnet.
  32. Autarkes Zusatzventil 6bv nach einem der einem der Ansprüche 29–31, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil eine serienerprobte Kühlwasserventilbauart mit Vakuumaktuator ist, bei dem an den Vakuumanschluss der Druckdose anstelle des Vakuums der Kühlmitteldruck angeschlossen wird.
  33. Autarkes Zusatzventil 6bv nach einem der einem der Ansprüche 28–31, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelsteuerdruck für die Druckdose am Kühlwassereintrittsrohr 67 des Zusatzventils entnommen wird.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–22, insbesondere unter Verwendung von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 23–33, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelstrom im Heizungszweig 4a in Betriebssituationen mit sehr hohem Kühlbedarf gedrosselt oder ausgeschaltet wird.
  35. Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizkreislaufs für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen 1 mit kühlmittelbeaufschlagtem Thermostatventil 6 zur Regelung der Kühlerleistung, insbesondere Verfahren nach einem der Ansprüche 1–22 und insbesondere unter Verwendung von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 23–34, dadurch gekennzeichnet, dass ein kühlmitteldruckbetätigtes erstes Ventil 6bv bei Überschreiten eines oberen Grenzwerts für den Kühlmittelabsolutdruck oder den Kühlmittelrelativdruck relativ zu einem Druck außerhalb des Kühlsystems einen Steuerkühlmittelstrom durch das kühlmitteltemperaturbetätigte Thermostatventil 6 freigibt, so dass dieses die Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler 8 auf Temperaturwerte nahe der Thermostatnenntemperatur regelt.
  36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerstrom zumindest in Phasen mit sehr hohem Kühlpotential des Fahrzeugkühlers 8 und hohem Kühlbedarf der Brennkraftmaschine 1 mindestens so groß ist oder so entlang des temperatursensitiven Bereichs des Thermostatventils 6 geführt wird oder so mit dem kalten Kühlmittel des Fahrzeugkühlers gemischt wird, dass sich innerhalb der Brennkraftmaschine in Verbindung mit nicht durch den Thermostaten 6 geführten Kühlmittelzweigen eine annähernd homogene Kühlmittelsolltemperatur einstellt, so dass insbesondere weniger als 10K Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt in die Brennkraftmaschine resultieren.
  37. Verfahren nach einem der Ansprüche 35–36, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatventil 6 durch die Anströmung eines internen Dehnstoffelementes die Temperaturregelung in Wechselwirkung mit der verfügbaren Kühlerleistung autark übernimmt, solange das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv den Steuerstrom durch das Thermostatventil 6 aktiviert hat.
  38. Verfahren nach einem der Ansprüche 35–37, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv durch einen direkt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator betätigt wird und dabei den Steuerstrom durch das Thermostatventil herbeiführt.
  39. Verfahren nach einem der Ansprüche 35–37, dadurch gekennzeichnet, dass das kühlmitteldruckbetätigte erste Ventil 6bv durch einen indirekt vom Kühlmitteldruck beaufschlagten Aktuator betätigt wird und dabei den Steuerstrom durch das Thermostatventil herbeiführt, wobei die indirekte Kühlmitteldruckbetätigung mittels eines Drucksensors erfolgt, die über eine Auswerteeinheit, insbesondere die Motorsteuerung 20, den Aktuator des kühlmitteldruckbetätigten ersten Ventils ansteuert.
Es folgen 11 Blatt Zeichnungen






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