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Die
Erfindung betrifft eine Kühlanordnung
eines Kraftfahrzeuges, mit einem Kühlmittelkreislauf zum Führen eines
Kühlmittelstromes,
einer in den Kühlmittelkreislauf
geschalteten und in einen Verbrennungsmotor integrierten ersten
Wärmeübertragungsvorrichtung
zum Kühlen
des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges, einer in den Kühlmittelkreislauf
geschalteten zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung
zum Kühlen
eines Abgasturboladers des Kraftfahrzeuges und einer in den Kühlmittelkreislauf geschalteten
dritten Wärmeübertragungsvorrichtung zum
Kühlen
einer Abgasrückführung des
Kraftfahrzeuges.
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Kühlanordnungen
für Kraftfahrzeuge
sind bekannt und dienen im Allgemeinen zum Abführen von Abwärme verschiedener
Aggregate des Kraftfahrzeuges, beispielsweise eines Verbrennungsmotors.
Hierzu kann mittels einer Pumpe ein Kühlmittelstrom erzeugt werden.
Ferner ist es bekannt, beispielsweise während einer Warmlaufphase des
Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges einen Durchfluss eines Kühlmittels
durch einen Motorblock des Verbrennungsmotors zu verhindern, um
ein rascheres Erreichen einer entsprechenden Betriebstemperatur
zu ermöglichen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug
mit einem Verbrennungsmotor, mit einem Abgasturbolader und einer
Abgasrückführung, bereitzustellen,
insbesondere ein schnellstmögli ches
Erreichen einer Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors während einer Warmlaufphase
zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe ist bei einer Kühlanordnung
eines Kraftfahrzeuges, mit einem Kühlmittelkreislauf zum Führen eines
Kühlmittelstromes,
einer in den Kühlmittelkreislauf
geschalteten und in einen Verbrennungsmotor integrierten ersten
Wärmeübertragungsvorrichtung
zum Kühlen
des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges, einer in den Kühlmittelkreislauf
geschalteten zweiten Wärmeübertragungsvorrichtung
zum Kühlen
eines Abgasturboladers des Kraftfahrzeuges und einer in den Kühlmittelkreislauf geschalteten
dritten Wärmeübertragungsvorrichtung zum
Kühlen
einer Abgasrückführung des
Kraftfahrzeuges, dadurch gelöst,
dass die erste Wärmeübertragungsvorrichtung
mit einem ersten Teilstrom des Kühlmittelstroms
beaufschlagbar ist, wobei unabhängig
davon die zweite und dritte Wärmeübertragungsvorrichtung
mit einem zweiten und dritten Teilstrom des Kühlmittelstroms beaufschlagbar
sind. Vorteilhaft können
sowohl die Abgasrückführung wie
auch der Abgasturbolader unabhängig
von dem ersten Teilstrom zur Kühlung
mit dem zweiten und dritten Teilstrom des Kühlmittelstroms beaufschlagt
werden. Es ist beispielsweise möglich,
den ersten Teilstrom zu reduzieren, so dass eine möglichst
schnelle Erwärmung
des Verbrennungsmotors auf eine Betriebstemperatur möglich ist
und dabei die vergleichsweise kleineren Temperaturzeitkonstanten
und/oder höhere Temperaturdifferenzen
aufweisenden Bauteile des Abgasturboladers und/oder der Abgasrückführung zur
bedarfsgerechten Kühlung
mit dem zweiten und dritten Teilstrom des Kühlmittelstroms zu beaufschlagen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungsvorrichtung in einen
ersten Teilkreislauf des Kühlmittelkreislaufs
geschaltet ist. Vorteilhaft kann der erste Teilkreislauf unabhängig von
dem übrigen
Teilkreislauf betrieben und/oder geregelt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
des Kraftfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
und dritte Wärmeübertragungsvorrichtung
in einen zweiten Teilkreislauf des Kühlmittelkreislaufes geschaltet sind.
Vorteilhaft können
der erste und zweite Teilkreislauf des Kühlmittelkreislaufes unabhängig voneinander
betrieben, gesteuert und/oder geregelt werden. Es ist also möglich, abhängig von
der anfallenden Abwärme
den Verbrennungsmotor unabhängig
stärker
oder schwächer
zu kühlen
als den Abgasturbolader und die Abgasrückführung.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
des Kraftfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungsvorrichtung
parallel zu der zweiten und dritten Wärmeübertragungsvorrichtung geschaltet
ist. In dem Parallelzweig der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung kann
der erste Teilstrom und in dem Parallelzweig der zweiten und dritten
Wärmeübertragungsvorrichtung können der
zweite und der dritte Teilstrom des Kühlmittelstroms unabhängig voneinander
geführt
werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
des Kraftfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Wärmeübertragungsvorrichtung
parallel zu der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung
geschaltet ist. Vorteilhaft kann der abgesehen vom ersten Kühlmittelstrom
nicht durch den Verbrennungsmotor strömende Anteil in den zweiten und
dritten Teilstrom aufgeteilt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
des Kraftfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Wärmeübertragungsvorrichtung
in Serie zu der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung
geschaltet ist. Bei dieser Verschaltung sind der zweite und. der
dritte Teilstrom identisch und werden nacheinander durch die zweite
und dritte Wärmeübertragungsvorrichtung
geführt.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
des Kraftfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungsvorrichtung
in Serie mit einem Heizkörper
zur Beheizung des Kraftfahrzeuges schaltbar ist. Die Heizung des Kraftfahrzeuges
kann vorteilhaft mittels des von dem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges
erwärmten ersten
Teilstroms des Kühlmittelstroms
betrieben werden. Vorteilhaft ist ein Ansteuern der Heizung unabhängig von
dem zweiten und dritten Teilstrom des Kühlmittelstroms möglich.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Kühlanordnung
des Kraftfahrzeuges ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom
auf Null reduzierbar ist. Im Verbrennungsmotor kann also ein Kühlmittelstillstand
zur raschen Erwärmung
erzeugt werden.
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Die
Aufgabe ist außerdem
mit einem Kraftfahrzeug mit einer vorab beschriebenen Kühlanordnung
gelöst.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche
Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine
Kühlanordnung
eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasturbolader
und einer Abgasrückführung, wobei
zur Kühlung
des Abgasturboladers und der Abgasrückführung ein zweiter und dritter
Teilstrom parallel geführt
sind und
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2 im
Wesentlichen die in 1 gezeigte Kühleranordnung, wobei im Unterschied
zur Kühlung der
Abgasturbolader und die Abgasrückführung in Serie
geschaltet und mit einem gemeinsamen Teilstrom beaufschlagt sind.
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1 zeigt
eine Kühlanordnung 1 eines nicht
näher dargestellten
Kraftfahrzeuges 3 mit einem Kühlmittelkreislauf 5 zum
Führen
eines Kühlmittelstroms 7.
Der Kühlmittelstrom 7 ist
mittels durchgezeichneter und mit Pfeilen versehenen Linien symbolisiert.
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Zum
Erzeugen des Kühlmittelstroms 7 ist eine
Pumpe 9 vorgesehen. Bei der Pumpe 9 kann es sich
beispielsweise um eine mechanisch und/oder elektrisch angetriebene
Pumpe handeln. Stromabwärts
der Pumpe 9 verzweigt sich der Kühlmittelkreislauf 5 in
einen ersten Teilkreislauf 11 und einen zwei ten Teilkreislauf 13.
Der Kühlmittelkreislauf 5 verzweigt
sich an einer Verzweigung 15 in den ersten und zweiten
Teilkreislauf 11, 13, die an einer Einmündung 17 wieder
zusammengeführt
werden.
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Stromabwärts der
Verzweigung 15 weist der erste Teilkreislauf 11 eine
erste Wärmeübertragungsvorrichtung 19 auf,
die zur Kühlung
einem Verbrennungsmotor 21 des Kraftfahrzeuges 3 zugeordnet
ist. Vorzugsweise ist die erste Wärmeübertragungsvorrichtung 19 so
in den Verbrennungsmotor 21 integriert, dass der erste
Teilkreislauf 11 durch den Verbrennungsmotor 21 hindurch
geführt
wird. Stromabwärts
der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 19 weist
der erste Teilkreislauf 11 einen Kennfeldthermostat 23 auf,
der den ersten Teilkreislauf 11 abhängig von der Temperatur und/oder
anderen Parametern in einen großen
Kühlkreislauf 29 und
einen kleinen Kühlkreislauf 73 aufteilt.
Außerdem
zweigen ein Motorölkühlkreislauf 27 und
ein Heizkreislauf 25 ungeregelt aus dem Kennfeldthermostat 23 ab.
Der Heizkreislauf 25 weist einen nicht näher dargestellten,
mit dem Bezugszeichen 31 angedeuteten Heizkörper zur
Erwärmung
eines Innenraums des Kraftfahrzeuges 3 auf. Der Motorölkühlkreislauf 27 weist einen
Motorölkühler 33 zur
Kühlung
eines Motoröls des
Verbrennungsmotors 21 auf. Zur Regelung und/oder Steuerung
eines Kühlmittelstandes
beziehungsweise jeweiliger Teilströme des Heizkreislaufs 25,
des Motorölkühlkreislaufs 27 und/oder
des kleinen Kühlkreislaufs 73 weisen
diese jeweils ein Ventil 64 auf. Die Ventile 64 können bei
einer einfachen Auslegung als Absperrventile, beispielsweise lediglich
mit einer Auf-Zu-Funktionalität,
ausgestaltet sein.
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Der
große
Kühlkreislauf 29 weist
einen Kühler
zum Kühlen
des Kühlmittelstroms 7 beziehungsweise
eines mittels des Kennfeldthermostats 23 eingestellten
Kühlerteilstroms 36 des
Kühlmittelstroms 7 auf.
Der Kühler 35 ist
mit Kühlluft
beaufschlagbar, was mittels Pfeilen 37 angedeutet ist.
Zur Erhöhung des
Kühlluftstroms
kann dem Kühler 35 ein
Lüfter 39 zugeordnet
sein.
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Stromabwärts der
Verzweigung 15 weist der zweite Teilkreislauf 13 eine
zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41,
die zur Kühlung
einem Abgasturbolader 43 zugeordnet ist, auf. Außerdem weist der
zweite Teilkreislauf 13 stromabwärts der Verzweigung 15 eine
dritte Wärmeübertragungsvorrich tung 45 auf,
die zur Kühlung
einer Abgasrückführung 47 zugeordnet
ist. Stromaufwärts
des Abgasturboladers 43 kann der zweite Teilkreislauf 13 eine
Nachlaufpumpe 49 aufweisen, die auch bei stehendem Verbrennungsmotor
und/oder stillstehender Pumpe 9 einen Kühlmittelstrom aufrecht erhalten
kann, wobei vorteilhaft ein Sieden, hervorgerufen von in den Bauteilen
des Abgasturboladers 43 gespeicherter Wärme, sicher verhindert werden
kann.
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Die
zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41 ist
parallel geschaltet zu der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 45,
wobei die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41 mit
einem zweiten Teilstrom 51 und die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 45 mit
einem dritten Teilstrom 53 des Kühlmittelstroms 7 beaufschlagbar
sind.
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Der
Abgasturbolader 43 ist mit einer Ladeluftkühlung 57 zur
Kühlung
der komprimierten Ladeluft verschaltet. Der mittels des Abgasturboladers 43 erzeugte
Ladeluftstrom ist in 1 mittels quadratisch gepunkteten
Linien symbolisiert. Der Ladeluftkühler 57 kann zur Kühlung der
Ladeluft ebenfalls von dem mittels der Pfeile 37 symbolisierten
Kühlluftstrom
durchströmt
werden. Dazu kann der Ladeluftkühler 57 dem
Kühler 35 vorgeschaltet
sein.
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Ein
den Verbrennungsmotor 21 verlassender Abgasstrom 61 ist
in 1 mittels kreisförmig gepunkteten Linien symbolisiert.
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Ein
erster Teilstrom 71 des Abgasstroms 61 wird in
den Abgasturbolader 43 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom 72 des
Abgasstroms 61 wird zur Kühlung der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 45 der Abgasrückführung 47 zugeführt und
von dort über
ein gegebenenfalls kühlbares
Abgasrückführventil 63 dem
Ladeluftstrom 59 beigemischt. Das Abgasrückführventil 63 regelt
den Abgasmassenstrom, der rückgeführt wird.
Das Abgasrückführventil 63 ist
Teil einer Ventilanordnung 66 zur Regelung und/oder Steuerung
sämtlicher
Teilströme
des Kühlmittelstroms 7,
des Ladeluftstroms 59 sowie des Abgasstroms 61.
Der Ladeluftstrom 59 wird vorzugsweise durch eine Drosselklappe 62 eingestellt.
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Mittels
eines Regelventils 65 der Ventilanordnung 66 können der
zweite und gegebenenfalls der dritte Teilstrom 51 und 53 der
zweiten und dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 41 und 45 unabhängig von
einem ersten Teilstrom 67 des Kühlmittelstroms 7 der
ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 19 eingestellt
werden. Dabei ist es beispielsweise möglich, den ersten Teilstrom 67 auf
Null zu reduzieren, wobei während
einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 21 dieser möglichst
schnell auf eine Betriebstemperatur gebracht werden kann, wobei
gleichzeitig eine notwendige Kühlung
des Abgasturboladers 43 und der Abgasrückführung 47 mittels der
zweiten und dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 41 und 45 möglich ist.
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2 zeigt
im Wesentlichen die in 1 gezeigte Kühlanordnung 1 des
Kraftfahrzeuges 3. Im Folgenden wird lediglich auf die
Unterschiede eingegangen. Im Unterschied sind die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41 und
die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 45 in
Serie geschaltet, so dass der zweite Teilstrom 51 und der
dritte Teilstrom 53 des Kühlmittelstroms 7 identisch
sind. Stromabwärts
der Verzweigung 15 ist das Regelventil 65 der
Ventilanordnung 66 in den zweiten Teilkreislauf 13 geschaltet. Weiter
stromabwärts
sind die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 45 sowie
eine mögliche
Kühlung 55 für das Abgasrückführventil 63 geschaltet.
Stromabwärts
der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 45 ist
die Nachlaufpumpe 49 in den zweiten Teilkreislauf 13 geschaltet.
Stromabwärts
der Nachlaufpumpe 49 ist die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41 geschaltet,
die ihrerseits stromabwärts
der Einmündung 17 zugeordnet
ist.
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Vorteilhaft
kann mittels der Kühlanordnung 1 der
Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 21 gesenkt werden,
wobei eine vergleichsweise große innere
Reibung durch eine möglichst
schnelle Erwärmung
des Verbrennungsmotors 21 unterbunden werden kann, wobei
dennoch die Abgasrückführung 47 und
der Abgasturbolader 43 unabhängig von einem möglicherweise
hergestellten Kühlmittelstillstand
in der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung 19 gekühlt werden
können.
Trotz der hohen Abgastemperaturen des Abgasstroms 61 können die
entsprechenden Bauteile des Abgasturboladers 43 und der Abgasrückführung 47 konstant
gekühlt
werden, wobei ein Sieden des Kühlmittels
in den zweiten und dritten Wärmeübertragungsvorrichtungen 41 und 45 sicher
vermeidbar ist.
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Vorteilhaft
kann bei Bedarf, unabhängig
von der zweiten und dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 41, 45,
der Heizkreislauf 25 betrieben werden, da dieser der ersten
Wärmeübertragungsvorrichtung 19 nachgeschaltet
ist. Vorteilhaft kann mittels der Parallelschaltung des ersten Teilkreislaufes 11 und
des zweiten Teilkreislaufes 13 eine Zwangskoppelung der
Kühlmittelströme durch
den Verbrennungsmotor 21, den Abgasturbolader 43 und
die Abgasrückführung 47 vermieden
werden. Vorteilhaft sind die Abgasrückführung 47 und der Abgasturbolader 43,
unabhängig
davon mit den Teilströmen 51 und 53 des Kühlmittelstroms 7 beaufschlagbar.
Dadurch wird eine sichere Abgaskühlung
gewährleistet.
Vorteilhaft ist der zweite Teilkreislauf 13, der die dritte
Wärmeübertragungsvorrichtung
zur Kühlung
der Abgasrückführung 47 aufweist,
aus dem Heizkreislauf 25 herausgelöst. Vorteilhaft kann der zweite
Teilkreislauf 13, unabhängig
von dem Heizkreislauf 25, mit dem Kühlmittel durchströmt werden.
Vorteilhaft ist die Verzweigung zwischen einer Druckseite der Pumpe 9 und
einem Eingang in die erste Wärmeübertragungsvorrichtung 19 geschaltet,
wobei dort vorteilhaft der größte Druck
herrscht. Vorteilhaft kann durch den hohen Druck die Siedegrenze
innerhalb der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 45 nach
oben verschoben werden. Die Einmündung 17 befindet
sich direkt stromaufwärts
der Pumpe 9.
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Vorteilhaft
kann auch die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41 eine
Kühlung
des Abgasturboladers 43, der ebenfalls eine ständige Beaufschlagung
mit dem Kühlmittel
benötigt,
gewährleisten.
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Vorteilhaft
kann das Abgasrückführventil 63 zur
Regelung des rückgeführten Abgasstroms 61 ebenfalls
mittels des dritten Teilstroms 53 des Kühlmittelstroms 7 gekühlt werden,
was mittels eines Bypasses erfolgen kann. Das Abgasrückführventil 63 zur
Regelung des rückgeführten Abgasstroms 61 kann
alternativ der dritten Wärmeübertragungsvorrichtung 45 vor-
oder nachgeschaltet sein. Vorteilhaft kann die Kühlung der Abgasrückführung 47 und/oder des
Abgasturboladers 43 auch nach einem Abstellen des Verbrennungsmotors 21 mittels
der Nachlaufpumpe 49 gewährleistet werden. Die Nachlaufpumpe 49 verhindert
ein Sieden des stehenden Kühlmittels durch
die in den Komponenten gespeicherte Wärme. Bei einem Kühlmittelstillstand
in dem Verbrennungsmotor 21 fördert die Pumpe 9 den
gesamten Kühlmittelvolumenstrom 7 durch
den zweiten Teilkreislauf 13, in dem die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 45 und
optional die zweite Wärmeübertragungsvorrichtung 41 angeordnet
sind. Es ist denkbar, nur die dritte Wärmeübertragungsvorrichtung 45 zur
Kühlung
der Abgasrückführung 47 vorzusehen
und auf eine Kühlung
des Abgasturboladers 43 zu verzichten. Da der zweite und/oder
dritte Teilvolumenstrom 51 und/oder 53 des Kühlmittelstroms 7 zu
groß sein können, kann
optional das Regelventil 65 der Ventilanordnung 66 zur
Reduzierung des Kühlmittelvolumenstroms
des zweiten Teilkreislaufes 13 stromabwärts der Verzweigung 15 in
den zweiten Teilkreislauf 13 geschaltet werden. Durch dieses
Regelventil 65 kann der zweite Teilkreislauf 13 angedrosselt
und entsprechend der zweite und dritte Teilvolumenstrom 51 und 53 reduziert
werden.
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Zusammenfassend
ist es möglich,
eine gekühlte
Abgasrückführung 47 bei
gleichzeitigem Kühlmittelstillstand
in der ersten Wärmeübertragungsvorrichtung
zur Kühlung
des Verbrennungsmotors 21 vorzusehen. Vorteilhaft können dadurch
die Potenziale zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung durch Kühlmittelstillstand
und zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung und Emissionsminderung durch
die gekühlte Abgasrückführung 47 unabhängig voneinander
genutzt werden.