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Dokumentenidentifikation DE102005023225A1 23.11.2006
Titel Brennkraftmaschine sowie Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Lukas, Franz, 85051 Ingolstadt, DE;
Schöneberg, Dirk, 85080 Gaimersheim, DE
DE-Anmeldedatum 20.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005023225
Offenlegungstag 23.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.2006
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   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse (10) und wenigstens einem Zylinderkopf (11), wobei das Kurbelgehäuse (10) und der Zylinderkopf (11) jeweils von einem Kühlmittelmantel (12, 13) umgeben sind, sowie mit einer Kühlmittelpumpe (14), wobei mittels der Kühlmittelpumpe (14) in Kühlmittelleitungen (15) entlang einer Hauptströmungsrichtung Kühlmittel förderbar ist und wobei stromab der Kühlmittelpumpe (14) eine Steuervorrichtung (16) angeordnet ist, welche wenigstens über einen Hauptkanal (17) mit Kühlmittel durchströmbar ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuervorrichtung (16) so ausgebildet ist, dass die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels in den Kühlmittelleitungen (15) bedarfsabhängig umkehrbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie eine Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors ist während einer Warmlaufphase aufgrund erhöhter Reibung deutlich höher als bei Betriebstemperatur. Es ist bekannt, eine beschleunigte Erwärmung des Motors in der Warmlaufphase nach einem Kaltstart durch Beeinflussung eines Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine herbeizuführen. Der von einer Wasserpumpe durch die Brennkraftmaschine geforderte Kühlwasserstrom wird üblicherweise mittels der Kühlmittelpumpe in Kühlmittelleitungen entlang einer Hauptströmungsrichtung gefördert, wobei stromab der Kühlmittelpumpe eine Steuervorrichtung angeordnet ist. Dabei durchströmt der Kühlwasserstrom zunächst einen Kühlmantel eines Zylinderkurbelgehäuses und anschließend einen Kühlmantel des Zylinderkopfs.

In der deutschen Patentschrift DE 100 43 618 A1 ist zur schnelleren Aufheizung der Brennkraftmaschine sowie eines Fahrzeuginnenraums ein Kühlmittelkreislauf offenbart, wobei zwischen der Kühlmittelpumpe und der Brennkraftmaschine ein Ventil zum Absperren bzw. Freigeben der Kühlmittelleitungen angeordnet ist, wobei auch Zwischenstellungen zum Erreichen eines bestimmten Volumenstroms möglich sind. Nach einem Kaltstart bleibt das Ventil geschlossen, so dass der Brennkraftmaschine kein Kühlmittel zugeführt wird, was zu einer raschen Aufheizung des Kühlmittels in der Brennkraftmaschine führt. Beim Überschreiten einer ausreichend hohen Kühlmitteltemperatur wird vorgeschlagen, das Ventil freizugeben, so dass das Kühlmittel in gewohnter Weise zirkulieren kann, wobei in der Zwischenstellung eine Feinabstimmung bei gedrosseltem Kühlmittelstrom erreicht werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine sowie einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, dass der Kraftstoffverbrauch während einer Warmlaufphase noch stärker reduziert wird.

Erfindungsgemaß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist eine Steuervorrichtung so ausgebildet, dass eine von einer Kühlmittelpumpe über ein Kurbelgehäuse zum Zylinderkopf führende Hauptströmungsrichtung von Kühlmittel in Kühlmittelleitungen bedarfsabhängig umkehrbar ist. Bei einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung sind wenigstens zwei Teilkanäle vorgesehen, über die die Hauptströmungsrichtung umkehrbar ist.

Vorteilhafterweise wird bei der Umkehr des Kühlmittelstroms zunächst ein Kühlmittelmantel des Zylinderkopfs und anschließend ein Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses mit Kühlmittel durchströmt. Da ein Wärmeeintrag in den Zylinderkopf etwa doppelt so groß ist wie ein Wärmeeintrag in das Kurbelgehäuse, wird bei der erfindungsgemäßen Volumenstrom-Umkehr eine besonders vorteilhafte Verkürzung der Aufwärmphase erzielt, was zu einer beschleunigten Erwärmung der Brennkraftmaschine nach dem Kaltstart und damit zur Reduzierung der Reibung führt. Dies wirkt sich wiederum besonders günstig auf den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine aus.

Des weiteren wird durch geeignete Dimensionierung der Teilkanäle in der Steuervorrichtung eine deutliche Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels durch die Brennkraftmaschine erzielt. In einem günstigen Fall kann eine Reduzierung bzw. Drosselung auf etwa 1 l bis 3 l pro Minute erzielt werden. Der gleichzeitig gedrosselte Kühlmittelstrom fließt dabei entgegen der bei Betriebstemperatur üblichen Fließrichtung vom Kühlmittelmantel des Zylinderkopfs zum Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses.

Bevorzugt ist die Hauptströmungsrichtung über wenigstens zwei in der Steuervorrichtung angeordnete Teilkanäle umkehrbar, wobei die Teilkanäle jeweils eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweisen. Besonders bevorzugt ist die Steuervorrichtung als Ventil ausgebildet, das in Hauptströmungsrichtung stromab der Kühlmittelpumpe und stromauf eines Kühlmittelmantels der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Das Ventil kann über einen Unterdruck angesteuert werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ventil elektrisch oder thermostatisch über eine Wachspatrone angesteuert wird.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann in einer ersten Position der Steuervorrichtung der erste Teilkanal entlang der Hauptströmungsrichtung von seiner der Kühlmittelpumpe zugewandten Einlassöffnung zu seiner dem Kühlwassermantel zugewandten Auslassöffnung mit Kühlmittel durchströmbar sein. Das Kühlmittel wird dann günstigerweise stromab der Auslassöffnung des ersten Teilkanals über separate Kühlmittelleitungen direkt zu dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfs geführt.

Anschließend kann das Kühlmittel entgegen die Hauptströmungsrichtung vom Kühlmittelmantel des Zylinderkopfs über den Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses über die dem Kühlmittelmantel zugewandte Einlassöffnung des zweiten Teilkanals in den zweiten Teilkanal der Steuervorrichtung zurück geführt werden. Vorteilhafterweise wird somit das im Zylinderkopf erwärmte Kühlmittel motorintern direkt zum Kurbelgehäuse geführt, so dass ein Wärmeverlust während der Aufwärmphase möglichst gering gehalten werden kann.

Das Kühlmittel kann dann von der der Kühlmittelpumpe zugewandten Auslassöffnung des zweiten Teilkanals über eine Kühlvorrichtung zur Kühlmittelpumpe zurückgefördert werden.

In dieser ersten Position kann zusätzlich vorteilhafterweise eine deutliche Verringerung des Volumenstroms, beispielsweise auf 1 l bis 3 l pro Minute, erzielt werden. Aufgrund des damit geringeren Wärmeübergangs zwischen Metall und Kühlmittel wird weniger Wärme aus den reibungskritischen Bereichen des Kurbelgehäuses ans Kühlmittel abgeführt, und es erfolgt somit günstigerweise eine schnellere Erwärmung dieser reibungskritischen Zonen.

In einer zweiten Position der Steuervorrichtung kann das Kühlmittel entlang der Hauptströmungsrichtung durch den Hauptkanal förderbar sein. Dabei wird das Kühlmittel zunächst über den Kühlmittelkanal des Kurbelgehäuses zu dem Kühlmittelmantel des Zylinderkopfes gefördert. Die Einstellung in der zweiten Position ist insbesondere dann günstig, wenn die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat und eine normale Zirkulation an Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf gewünscht wird.

Die Drosselung kann beispielsweise bis zum Überschreiten einer vorgegebenen Kühlmittel- oder Bauteiltemperaturschwelle aktiviert werden. Die Deaktivierung kann auch modellgesteuert unter Einfluss von Motorlast und/oder Motordrehzahl und/oder Außentemperatur erfolgen.

Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in Ansprüchen, ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus einem nachfolgend anhand einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs mit einer Steuervorrichtung in einer ersten Position; und

2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kühlkreislaufs, wobei sich die Steuervorrichtung in einer zweiten Position befindet.

Die schematische Darstellung gemäß 1 zeigt einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit zwei Zylinderbänken, welche jeweils ein Kurbelgehäuse 10 und einen daran angebrachten Zylinderkopf 11 aufweisen. Gleiche Elemente werden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Kurbelgehäuse 10 und der Zylinderkopf 11 werden jeweils von einem Kühlmittelmantel 12, 13 umgeben. Der Kühlmittelkreislauf ist dabei folgendermaßen aufgebaut: Mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe 14 wird Kühlmittel in Kühlmittelleitungen 15 gefördert. Stromab der Kühlmittelpumpe 14 ist eine als Ventil ausgebildete Steuervorrichtung 16 angeordnet. Die Steuervorrichtung 16 ist so ausgebildet, dass eine Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels in den Kühlmittelleitungen 15 bedarfsabhängig umkehrbar ist. Die in 1 nicht gezeigte Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels ist von der Kühlmittelpumpe 14 über einen Hauptkanal 17 der Steuervorrichtung 16 zum Kühlmittelmantel 12 des Kurbelgehäuses 10 und von dort aus zum Kühlmittelmantel 13 des Zylinderkopfs 11 gerichtet, von wo aus das Kühlmittel über eine Kühlvorrichtung 29 zur Kühlmittelpumpe 14 rückgeführt wird. Erfindungsgemäß weist die Steuervorrichtung 16 neben dem Hauptkanal 17 zwei Teilkanäle 18, 21 auf, über die die oben beschriebene Hauptströmungsrichtung des Volumenstroms umkehrbar ist. Gleichzeitig wird der Volumenstrom gedrosselt. Die umgekehrte Hauptströmungsrichtung ist in 1 mit Pfeilen gekennzeichnet.

Die Teilkanäle 18, 21 weisen jeweils eine Einlassöffnung 19, 22 und eine Auslassöffnung 20, 23 auf. In einer in 1 dargestellten ersten Position der Steuervorrichtung 16 wird der erste Teilkanal 18 entlang der Hauptströmungsrichtung von seiner der Kühlmittelpumpe 14 zugewandten Einlassöffnung 19 zu seiner dem Kühlwassermantel 12, 13 zugewandten Auslassöffnung 20 mit Kühlmittel durchströmt. Der Hauptkanal 17 wird in der ersten Position der Steuervorrichtung 16 nicht durchströmt. Stromab der Auslassöffnung 20 des ersten Teilkanals 18 wird das Kühlmittel über separate Kühlmittelleitungen 24, 25, 26 direkt zu dem Kühlmittelmantel 13 des Zylinderkopfs 11 geleitet, wo ein Wärmeeintrag während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine etwa doppelt so groß ist wie in das Kurbelgehäuse 10. Der gleichzeitig gedrosselte Kühlmittel-Volumenstrom fließt dabei entgegen der bei Betriebstemperatur üblichen Hauptströmungsrichtung. Das Kühlmittel wird anschließend entgegen die Hauptströmungsrichtung vom Kühlmittelmantel 13 des Zylinderkopfs 11 über den Kühlmittelmantel 12 des Kurbelgehäuses 10 über die dem Kühlmittelmantel 12 zugewandte Einlassöffnung 22 des zweiten Teilkanals 21 in den zweiten Teilkanal 21 der Steuervorrichtung 16 zurück geführt. Dadurch, dass das im Zylinderkopf 11 erwärmte Kühlmittel motorintern direkt zum Kurbelgehäuse 10 geleitet wird, wird vorteilhafterweise das erwärmte Kühlmittel auf möglichst kurzem Weg in den reibungsrelevanten Bereich der Zylinderlaufbahn gebracht. Die Erwärmungsphase wird somit günstigerweise verkürzt.

Das Kühlmittel wird anschließend von der der Kühlmittelpumpe 14 zugewandten Auslassöffnung 23 des zweiten Teilkanals 21 direkt in die Kühlmittelpumpe 14 gefördert. Ein Thermostatventil 27 ist im Warmlauf bei umgekehrter Strömungsrichtung geschlossen und verhindert, dass eine Kühlvorrichtung 29 durchströmt wird.

In 2 ist schematisch ein Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine dargestellt, wobei sich die Steuervorrichtung in einer zweiten Position befindet. Dabei wird das Kühlmittel entlang der Hauptströmungsrichtung durch den Hauptkanal 17 gefördert. Die Hauptströmungsrichtung ist jeweils mit Pfeilen gekennzeichnet. Das Kühlmittel wird in der zweiten Position der Steuervorrichtung 16 zunächst über den Hauptkanal 17 der Steuervorrichtung 16 über den Kühlmittelmantel 12 des Kurbelgehäuses 10 zu dem Kühlmittelmantel 11 des Zylinderkopfes 11 gefördert. Die Teilkanäle 18, 21 der Steuervorrichtung 16 sowie die Kühlmittelleitungen 24, 25, 26 werden in dieser Position nicht durchströmt. Die zweite Position wird insbesondere dann eingestellt, wenn die Brennkraftmaschine ihre Betriebstemperatur erreicht hat und eine normale Zirkulation an Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf gewünscht wird.

10
Kurbelgehäuse
11
Zylinderkopf
12
Kühlmittelmantel des Kurbelgehäuses
13
Kühlmittelmantel des Zylinderkopfs
14
Kühlmittelpumpe
15
Kühlmittelleitung
16
Steuervorrichtung
17
Hauptkanal
18
erster Teilkanal
19
Einlassöffnung
20
Auslassöffnung
21
zweiter Teilkanal
22
Einlassöffnung
23
Auslassöffnung
24
Kühlmittelleitung
25
Kühlmittelleitung
26
Kühlmittelleitung
27
Thermostat
28
Bypassleitung
29
Kühlvorrichtung
30
Kühlmittelleitung
31
Kühlmittelleitung
32
Rückführleitung


Anspruch[de]
Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse (10) und wenigstens einem Zylinderkopf (11), wobei das Kurbelgehäuse (10) und der Zylinderkopf (11) jeweils von als Kühlmittelmantel (12, 13) ausgebildeten Kühlmittelleitungen umgeben sind, sowie mit einer Kühlmittelpumpe (14), wobei mittels der Kühlmittelpumpe (14) in Kühlmittelleitungen (15) entlang einer Hauptströmungsrichtung Kühlmittel förderbar ist, und wobei stromab der Kühlmittelpumpe (14) eine Steuervorrichtung (16) angeordnet ist, welche wenigstens über einen Hauptkanal (17) mit Kühlmittel durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (16) so ausgebildet ist, dass die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels in den Kühlmittelleitungen (12, 13, 15) bedarfsabhängig umkehrbar ist. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung über wenigstens zwei in der Steuervorrichtung (16) angeordnete Teilkanäle (18, 21) umkehrbar ist. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Position der Steuervorrichtung (16) der erste Teilkanal (18) entlang der Hauptströmungsrichtung von seiner der Kühlmittelpumpe (14) zugewandten Einlassöffnung (19) zu seiner dem Kühlwassermantel (12, 13) zugewandten Auslassöffnung (20) mit Kühlmittel durchströmbar ist. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel stromab der Auslassöffnung (20) des ersten Teilkanals (18) über separate Kühlmittelleitungen (24, 25, 26) direkt zu dem Kühlmittelmantel (13) des Zylinderkopfs (11) führbar ist. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel entgegen die Hauptströmungsrichtung vom Kühlmittelmantel (13) des Zylinderkopfs (11) über den Kühlmittelmantel (12) des Kurbelgehäuses (10) über die dem Kühlmittelmantel (12) zugewandte Einlassöffnung (22) des zweiten Teilkanals (21) in den zweiten Teilkanal (21) der Steuervorrichtung (16) rückführbar ist. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel von der der Kühlmittelpumpe (14) zugewandten Auslassöffnung (23) des zweiten Teilkanals (21) zur Kühlmittelpumpe (14) zurück förderbar ist. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Position der Steuervorrichtung (16) das Kühlmittel entlang der Hauptströmungsrichtung durch den Hauptkanal (17) förderbar ist. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in der zweiten Position der Steuervorrichtung (16) zunächst über den Kühlmittelmantel (12) des Kurbelgehäuses (10) zu dem Kühlmittlmantel (11) des Zylinderkopfes (11) förderbar ist. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Position der Steuervorrichtung (16) ein Volumenstrom des Kühlmittels in geeignetem Maße gedrosselt ist. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (16) als Ventil ausgebildet ist. Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem entlang einer Hauptströmungsrichtung mit Kühlmittel durchströmbaren Hauptkanal (17), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Teilkanäle (18, 21) vorgesehen sind, über die die Hauptströmungsrichtung bedarfsabhängig umkehrbar ist.






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