PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005048286A1 12.04.2007
Titel Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems für eine Verbrennungskraftmaschine
Anmelder ITW Automotive Products GmbH & Co. KG, 58636 Iserlohn, DE
Erfinder Heldberg, Carsten, Dipl.-Ing., 27308 Kirchlinteln, DE
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, Schildberg, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 08.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048286
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F01P 3/20(2006.01)A, F, I, 20051008, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01P 7/16(2006.01)A, L, I, 20051008, B, H, DE   
Zusammenfassung Kühlsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Kühlkanalsystem im Motorblock aufweist, mit einem Hauptkühler HWK, der in einem Kreislauf mit dem Kühlkanalsystem der Verbrennungskraftmaschine geschaltet ist, einer Wasserpumpe und einem ersten Thermostatventil TH1 in dem Kreislauf, einem Heizwassertauscher HWT, der über einen Bypass und ein Bypassventil mit der Wasserpumpe verbunden ist, einem zweiten Thermostaten TH2 im Bypassweg, wobei die Öffnungstemperatur des Thermostatventils des zweiten Thermostaten TH2 deutlich niedriger ist als die Öffnungstemperatur des Thermostatventils des ersten Thermostaten TH1 und die Thermostaten so geschaltet sind, dass bei geschlossenem Thermostatventil B des zweiten Thermostaten TH2 unterhalb seiner Öffnungstemperatur eine Mindestwassermenge über den Heizwärmetauscher HWT durch das Kühlkanalsystem strömt, bei geöffnetem Thermostatventil B des zweiten Thermostaten TH2 ab seiner Öffnungstemperatur eine größere Wassermenge durch das Kühlkanalsystem strömt und ab der Öffnungstemperatur des Thermostatventils A des ersten Thermostaten TH1 eine thermostatische Regelung über den ersten Thermostaten TH1 und über den Hauptkühler HWK erfolgt, wodurch die Kühlmittelmenge ab der Öffnung des Thermostatventils B des zweiten Thermostaten TH2 zunehmend erhöht und/oder mindestens ein weiterer Wärmetauscher MÖK, GÖK zugeschaltet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem für eine Verbrennungskraftmaschine nach dem Patentanspruch 1.

Im Rahmen von Abgas- und Verbrauchsvorschriften ist es erforderlich, insbesondere bei Automobilen eine schnelle Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine auf ihre Betriebstemperatur zu erreichen, weil ein Großteil der relevanten Emissionen und des Verbrauchs im Kaltbetrieb erzeugt wird. Die schnelle Aufheizung wird erreicht, wenn die im Kaltstart durch die Maschine zirkulierende Kühlmittelmenge auf ein Mindestmaß reduziert ist. Im Hinblick auf die Betriebssicherheit ist jedoch Sorge dafür zu tragen, dass die Kühlmittelmenge ausreichend ist, um lokale Überhitzungen an kritischen Stellen der Maschine sicher zu verhindern.

Außerdem muß die gesetzliche Vorgabe zur Scheibenenteisung bei kalten Außentemperaturen erfüllt werden.

Bei Kühlsystemen für Verbrennungskraftmaschinen unterscheidet man zwischen Motorblöcken, die nur einen Kreislauf besitzen und solchen, welche eine getrennte Kopf- und Blockkühlung aufweisen. Im letzteren Fall weist der Wassermantel der Maschine zwei Kreise auf.

Bei Einkreis-Kühlsystemen ist herkömmlich ein Thermostatventil vorgesehen, das als Doppelventil ausgebildet ist. Unterhalb der Betriebstemperatur wird Kühlmittel über einen Heizwärmetauscher, das zweite Ventil des Thermostatventils und einen Bypass durch das Kühlkanalsystem der Maschine gefördert. Ist die Betriebstemperatur erreicht, öffnet das Thermostat und drosselt dabei über das zweite Ventil Strömung über den Heizwärmeaustauscher, während die Hauptmenge des Kühlmittels über einen Hauptkühler geleitet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit dem eine sehr schnelle Aufheizung der Maschine erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem ist ein zweites Thermostatventil im Bypasszweig angeordnet, das eine Öffnungstemperatur aufweist, die deutlicher niedriger ist als die Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils. Die beiden Thermostatventile sind so geschaltet, dass bei geschlossenem zweiten Thermostatventil unterhalb seiner Öffnungstemperatur eine Mindestwassermenge über das Kühlkanalsystem der Maschine strömt, welche ermöglicht, dass die Maschine innerhalb kürzester Zeit aufgeheizt wird. Die umlaufende Kühlmittelmenge strömt dabei durch den Heizwärmetauscher. Ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils strömt Kühlmittel in einer größeren Menge durch das System, indem es z.B. einen Bypass zum Heizwärmetauscher bildet. Ab der Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils strömt das Kühlmittel über den Hauptkühler, wobei das erste Thermostatventil, wie an sich bekannt, für eine Regelung der Kühlmitteltemperatur sorgt. Mit steigender Temperatur wird die über den Bypass strömende Kühlmittelmenge zunehmend gedrosselt.

Bei der Erfindung wird eine Minimierung des beim Kaltstart durch die Maschine zirkulierenden Kühlmittels erhalten, indem ein Thermostat mit niedriger Öffnungstemperatur eingesetzt wird, wobei dieser Thermostat eine stetige Zunahme des Kühlmittelstroms durch die Maschine erlaubt und ggfs. eine bedarfsgerechte Zuschaltung weiterer Wärmeaustauscher, wie ein Motorölkühler oder ein Getriebeölkühler.

Die Thermostatventile können in einem gemeinsamen Gehäuse oder getrennt angeordnet werden.

Die Thermostatventile sind vorzugsweise als Doppelventile ausgeführt mit jeweils einem zweiten Ventil derart, dass es bei geschlossenem Thermostatventil geöffnet ist und mit dem zunehmenden Öffnen des Thermostatventils seinen Öffnungsquerschnitt verringert. Vorzugsweise ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung das zweite Ventil des ersten Thermostatventils vollständig geschlossen, wenn das erste Thermostatventil vollständig geöffnet ist. Bezüglich des zweiten Thermostatventils sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das zweite Ventil in Drosselstellung ist, während das zweite Thermostatventil vollständig geöffnet ist.

Je nachdem, welche Regelung bevorzugt wird, nämlich entweder eine Motorausgangsregelung oder eine Wasserpumpeneingangsregelung, erfolgt die Verschaltung des ersten Thermostatventils und damit in Verbindung auch des zweiten Thermostatventils. Im ersteren Fall wird der Vorteil erhalten, dass Schläuche und der Hauptkühler im Kaltstart vom Kühlsystemdruck entlastet ist. Letztere Konfiguration erlaubt ein gutes Regelverhalten.

Das erfindungsgemäße System ermöglicht je nach Anordnung eine gewünschte Zuschaltung mindestens eines weiteren Wärmetauschers, beispielsweise eines Motoröl- oder Getriebeölkühlers. Dieser weitere Wärmeaustauscher ist so mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem verschaltet, dass er entweder unterhalb der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils, ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils oder ab der Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils durchströmt wird.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist auch für getrennte Kühlsysteme für Motorblock und Zylinderkopf anwendbar, wobei wie üblich jedem Kühlsystem ein Thermostatventil zugeordnet ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist dem Kühlsystem für den Motorblock ein drittes Thermostatventil zugeordnet, wobei die beiden Thermostatventile für das Kühlsystem des Motorblocks in der Weise geschaltet sind und arbeiten, wie dies in Verbindung mit einem einzigen Kühlkreislauf beschrieben wurde.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.

15 zeigen schematisch Schaltungsanordnungen für ein Kühlsystem in unterschiedlicher Ausführung,

69 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in verschiedenen Zuständen.

Das in den 19 dargestellte Kühlsystem für eine Verbrennungskraftmaschine weist jeweils gleiche Komponenten und Bauteile auf. Die Verbrennungskraftmaschine ist mit „Motor" bezeichnet. Der Motorblock weist ein nicht gezeigtes Kühlkanalsystem auf, wobei dem Motorblock ein Bypasskanal 10 zugeordnet ist. Eine Wasserpumpe 12 dient für den Umlauf von Kühlwasser durch das Kühlkanalsystem des Motors. Zum Kühlsystem gehört ein Wärmeaustauscher EGR für zurückgeführtes Abgas, ein Motorölkühler MÖK, ein Getriebeölkühler GÖK, ein Heizungswärmetauscher HWT, ein Hauptwasserkühler HWK, ein erster Thermostat TH1 und ein zweiter Thermostat TH2.

Die Thermostaten TH1 und TH2 sind als Doppelventile ausgebildet mit einem Thermostatventil A bzw. B und einem zweiten Ventil a bzw. b, welche gemeinsam durch ein Dehnwachselement verstellt werden, jedoch gegensinnig wirken, worauf weiter unten noch eingegangen wird.

Das Thermostatventil A öffnet etwa bei 87°C, was allgemein die Öffnungstemperatur für Kühlwasserthermostaten ist. Das Thermostatventil B öffnet hingegen bei einer deutlich niedrigeren Temperatur, von z.B. 30–35°C.

Bei der Ausführungsform nach den 69 ist eine Wasserpumpeneingangsregelung vorgesehen, d.h. der Thermostat TH1 ist dem Eingang der Wasserpumpe 12 zugeordnet. Am Ausgang des Kühlkanalsystems des Motors liegt der zweite Thermostat TH2, dessen ungehinderter Durchgang über einen Kanal mit dem Hauptwasserkühler verbunden ist. Dessen Ausgang ist mit dem Thermostat TH1 verbunden. Der Eingang des Heizwärmetauschers HWT ist mit dem Thermostaten TH2 verbunden und sein Ausgang mit dem Bypass 10. Die Thermostaten TH1 und TH2 sind untereinander verbunden. Die Ölkühler MÖK und GÖK sind über eine Leitung mit dem Eingang des Thermostaten TH1 verbunden. Der erste Thermostat TH1 ist mit dem Eingang der Wasserpumpe 12 verbunden, wie bereits erwähnt.

In 6 ist das Kühlsystem in einem Zustand dargestellt, der dem sog. Kaltstart entspricht. Die Wasserpumpe 12 fördert eine minimale Wassermenge über das zweite Ventil b des zweiten Thermostaten TH2, den Heizwärmetauscher HWT und dem Bypass 10 durch das Kühlkanalsystem des Motors. Es sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, dass der Heizwärmetauscher HWT der Erwärmung des Fahrgastraumes des Automobils dient. Da beide Thermostatventile A und B geschlossen sind, fließt weder über die Ölkühler MÖK und GÖK noch über den Hauptwasserkühler HWK Kühlmittel. Nach dem Erreichen der Öffnungstemperatur von z.B. 30–35°C des Thermostatventils B ermöglicht dieses einen Durchgang von Wasser auch zum ersten Thermostaten TH1 über die beschriebene Verbindungsleitung und das zweite Ventil a, sodass eine zusätzliche Kühlmittelmenge durch das Kühlkanalsystem des Motors strömt. Der Anteil vergrößert sich mit zunehmender Öffnung des Thermostatventils B. Der beschriebene Vorgang ist in 7 angedeutet. Wird – wie in 8 angedeutet – die Öffnungstemperatur des ersten Thermostaten TH1 erreicht, z.B. 87° C, öffnet das Thermostatventil A, sodass der Hauptwasserkühler HWK von Wasser durchströmt wird und eine zusätzliche Kühlmittelmenge durch das Kühlkanalsystem strömt. Gleichzeitig wird die durch den Heizwärmetauscher HWT fließende Wassermenge durch das zunehmende Schließen des zweiten Ventils b begrenzt. Gleichzeitig wird der Kurzschluß zwischen den Thermostaten TH1 und TH2 durch allmähliches Schließen des zweiten Ventils a gedrosselt. Außerdem ist nun der Wasserweg durch die Ölkühler MÖK und GÖK freigegeben. Nunmehr befindet sich das Kühlsystem im Regelbetrieb.

Falls die Temperatur des Wassers weiter ansteigt, wird gemäß 9 das Thermostatventil A vollständig geöffnet und das zweite Ventil a vollständig geschlossen. Das zweite Ventil b des Thermostaten TH2 erreicht eine große Drosselrate. Hierbei wird eine maximale Wassermenge durch den Hauptwasserkühler HWK geleitet.

Bei den Ausführungsformen des dargestellten Kühlsystems nach den 1 bis 5 ist jeweils nur die Kaltstartphase angedeutet.

Bei der Ausführungsform nach 1 ist eine Motorausgangsregelung verwendet, mit der etwa die Schläuche und der Hauptwasserkühler HWK im Kaltstart vom Kühlsystemdruck entlastet sind. Während des Kaltstarts ist der Heizwärmetauscher HWT vollständig mit Wasser durchströmt, wobei das zur Wasserpumpe 12 zurückfließende Kühlmittel innerhalb des Bypasses 10 geführt ist, welcher sich im Motorblock befindet. Zugleich werden die Ölkühler MÖK und GÜK mit Kühlmittel durchströmt. Diese Ausführung einer Kühlsystemverschaltung ist dann besonders sinnvoll, wenn das Öl schnell aufgeheizt soll, um Reibungsverluste zu minimieren.

Nach dem Erreichen der Öffnungstemperatur des Thermostaten TH2 wird ein weiterer Bypassweg über das zweite Ventil a und das Thermostatventil B geöffnet. Dies erhöht die im Motor umlaufende Wassermenge und verhindert lokale Überhitzungen. Der Einsatz der zusätzlichen Wassermenge erfolgt sanft. Der Thermostat TH2 ist so ausgelegt, dass eine Drosselung des Wassers aus dem Heizwärmetauscher HWT über das Ventil b erst dann erfolgt, wenn die Temperatur des Wassers höher ist als z.B. 90°C. Das Ventil b schließt niemals vollständig ab.

Nach Erreichen der Öffnungstemperatur des Thermostaten TH1 beginnt das Thermostatventil A langsam zu öffnen und das zweite Ventil b beginnt zu schließen. Dabei wird das Wasser über den Hauptwasserkühler HWK geführt und gleichzeitig wird der zusätzliche Wasserweg über dem Bypass gedrosselt. Im Heißbetrieb ist der Wasserweg über den Hauptwasserkühler vollständig geöffnet und der Bypassweg vollständig geschlossen. Gleichzeitig ist der Wasserkreis über den Heizwassertauscher HWT stark gedrosselt. Dies verhindert eine Überhitzung des Fahrgastraumes und ermöglicht eine größtmögliche Menge über den Hauptwasserkühler HWK zu führen.

Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 nur in der Art der Anbindung der Ölkühler GÖK und MÖK. Durch die Anbindung zwischen den Thermostaten TH1 und TH2 wird ab dem Öffnungsbeginn des Thermostatventils B mehr Kühlmittel über diese Wärmeaustauscher geführt.

3 zeigt wie die 1 und 2 eine Motorausgangsregelung, d.h. der erste Thermostat TH1 ist dem Ausgang des Kühlkanalsystems des Motors zugeordnet. In der Kaltstartphase strömt das Wasser über den Heizwärmetauscher HWT und das Ventil b des zweiten Thermostaten TH2 und den Bypass 10 zur Wasserpumpe 12. Außerdem kann Wasser von den Ölkühlern MÖK und GÖK über das Ventil a des ersten Thermostaten TH1 ebenfalls über den Heizwärmetauscher HWT fließen. Nach dem Öffnen des zweiten Thermostaten TH2 fließt das Wasser durch diesen unmittelbar zum Motor zurück. Sowohl während des Kaltstarts als auch nach dem Öffnen des zweiten Thermostats TH2 wird der aus dem Kühlkanalsystem des Motors kommende Wasserstrom geteilt, wobei ein Teil über den Heizwärmetauscher HWT und ein anderer Teil über den ersten Thermostaten TH1, nämlich über sein zweites Ventil a strömt.

Bei der Ausführungsform nach 4 ist wiederum eine Motorausgangsregelung vorgesehen. Der Unterschied zu 3 besteht darin, dass im Kaltstart die Kühlwasserströme der Ölkühler MÖK und GÖK im kleinen Kreislauf über den Heizwärmetauscher HWT fließen. Ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostaten TH2 erschließt sich ein zweiter Weg dieses Kühlmittelstroms über den ersten Thermostaten TH1 und das Thermostatventil B des zweiten Thermostaten. Im Regelbetrieb, d.h. wenn der erste Thermostat TH1 geöffnet ist, wird das Kühlmittel im Mischbetrieb teilweise über den Bypass 10 und über den Hauptwasserkühler HWK geführt.

Wie aus der Ausführungsform nach 5 hervorgeht, erlaubt diese das Zuschalten der Ölkühler MÖK und GÖK ab der niedrigen Öffnungstemperatur des zweiten Thermostaten TH2. Bis zu dieser Temperatur wird durch diese Wärmetauscher kein Kühlmittel geführt.

Der Hauptwasserkühler HWK ist über den ersten Thermostaten TH1 angeschlossen. In dieser Anordnung fließt ein zusätzlicher Kühlmittelstrom über das zweite Ventil a des ersten Thermostaten TH1.


Anspruch[de]
Kühlsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, die ein Kühlkanalsystem im Motorblock aufweist, mit einem Hauptkühler HWK, der in einem Kreislauf mit dem Kühlkanalsystem der Verbrennungskraftmaschine geschaltet ist, einer Wasserpumpe (12) und einem ersten Thermostatventil TH1 in dem Kreislauf, einem Heizwassertauscher HWT, der über einen Bypass und ein Bypassventil mit der Wasserpumpe (12) verbunden ist, einem zweiten Thermostaten TH2 im Bypassweg, wobei die Öffnungstemperatur des Thermostatventils des zweiten Thermostaten TH2 deutlich niedriger ist als die Öffnungstemperatur des Thermostatventils des ersten Thermostaten TH1 und die Thermostaten so geschaltet sind, dass bei geschlossenem Thermostatventil B des zweiten Thermostaten TH2 unterhalb seiner Öffnungstemperatur eine Mindestwassermenge über den Heizwärmetauscher HWT durch das Kühlkanalsystem strömt, bei geöffnetem Thermostatventil B des zweiten Thermostaten TH2 ab seiner Öffnungstemperatur eine größere Wassermenge durch das Kühlkanalsystem strömt und ab der Öffnungstemperatur des Thermostatventils A des ersten Thermostaten TH1 eine thermostatische Regelung über den ersten Thermostaten TH1 und über den Hauptkühler HWK erfolgt, wodurch die Kühlmittelmenge ab der Öffnung des Thermostatventils B des zweiten Thermostaten TH2 zunehmend erhöht und/oder mindestens ein weiterer Wärmetauscher MÖK, GÖK zugeschaltet wird. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostatventil B des zweiten Thermostaten TH2 ab seiner Öffnungstemperatur mit steigender Kühlmitteltemperatur allmählich weiter öffnet und unterhalb der Öffnungstemperatur des Thermostatventils A des ersten Thermostaten TH1 seine vollständige Öffnung erreicht. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermostaten TH1 und TH2 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermostatventile A und B jeweils ein zweites Ventil a, b betätigen, das bei geschlossenem Thermostatventil A, B geöffnet und mit dem zunehmenden Öffnen des Thermostatventils A, B seinen Öffnungsquerschnitt verringert ist. Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil a des ersten Thermostatventils A vollständig geschlossen ist, wenn das erste Thermostatventil A vollständig geöffnet ist. Kühlsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil b des zweiten Thermostatventils B in Drosselstellung ist, wenn das zweite Thermostatventil B vollständig geöffnet ist. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thermostat TH1 dem Ausgang des Kühlkanalsystems zugeordnet ist. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thermostat TH1 dem Eingang der Wasserpumpe 12 zugeordnet ist. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine mindestens einen zusätzlichen Wärmeaustauscher MÖK, GÖK aufweist, der so mit dem Kühlsystem verschaltet ist, dass er entweder unterhalb der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils B, ab der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils B oder ab der Öffnungstemperatur des ersten Thermostatventils A durchströmt ist. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (10) als Kanal im Motorblock ausgebildet ist. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei getrennten Kühlkanalsystemen für Motorblock und Zylinderkopf drei Thermostaten vorgesehen sind, wobei die Öffnungstemperatur des dritten Thermostaten deutlich oberhalb der Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils liegt. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungstemperatur des zweiten Thermostatventils B bei 30–35°C liegt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com