DE10332949A1

DE10332949A1 - Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen

Info

Publication number: DE10332949A1
Application number: DE10332949A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Lütze; Heiko Dipl.-Ing. Saß
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-07-19
Filing date: 2003-07-19
Publication date: 2005-02-10
Also published as: JP2006528298A; WO2005012705A1; US7267084B2; US20060157000A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung einer Brennkraftmaschine (6) vorgeschlagen mit einer Hauptkühlmittelpumpe (1) und einer ersten Steuereinheit (17), die das Kühlmittel entweder über einen großen Kühlkreislauf (18), in dem ein Luft-Flüssigkeitskühler (21) angeordnet ist, oder übber einen kleinen Kühlkreislauf (18) unter Umgehung des Luft-Flüssigkeitskühlers (17) zum Ansaugmund der Hauptkühlmittelpumpe (1) zurückleitet. Des Weiteren ist ein zweiter Wärmetauscher (24) zur Vorwärmung oder Kühlung eines Ölstromes, insbesondere von Getriebeöl, im Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet. Der Kühlmitteldurchfluss durch den zweiten Wärmetauscher ist über eine zweite Steuereinheit (27) gesteuert. DOLLAR A Erfindungsgemäß gibt die zweite Steuereinheit (27) den Durchfluss durch den zweiten Wärmetauscher (24) erst ab einer vorgegebenen Temperatur frei. Da unterhalb dieser Temperatur dem Kühlmittel keine Wärme über den zweiten Wärmetauscher (24) entzogen wird, ist eine schnell Erwärmung der Brennkraftmaschine (6) gewährleistet. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift DE 196 37 817 C1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Kühlen und Vorwärmen insbesondere von Getriebeöl bei Brennkraftmaschinen bekannt. Die Einrichtung weist einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und einen Luft-Flüssigkeitskühler, der mittels Motorthermostat bei Erreichen einer bestimmten Temperatur in den Kühlkreislauf einschaltbar ist, auf. Desweiteren weist die Einrichtung einen Wärmetauscher auf, der von einem Kühlmittel des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine und von Getriebeöl durchströmt ist. Dieser Wärmetauscher ist zur Aufheizung und zur Kühlung des Getriebeöls verwendbar. Eine Steuereinheit zweigt zur Aufheizung des Getriebeöls ein Kühlmittelstrom aus einem Hauptkühlkreislauf der Brennkraftmaschine ab, der in dem Wärmetauscher Wärmeenergie an das Getriebeöl überträgt. In der Kühlphase leitet die Steuereinheit ein Kühlmittelstrom zur Kühlung des Getriebeöls aus einem Niedertemperaturkühler in den Wärmetauscher. Die Steuereinheit weist zwei Thermostate auf, ein Thermostat stellt dabei die Regelung des heißen Kühlmittelstroms zum Aufheizen des Getriebeöls sicher, d.h. bei kalter Kühlmitteltemperatur ist das Thermostat geöffnet und schließt bei einer vorbestimmbaren, höheren Temperatur. Das andere Thermostat regelt im Kühlungsfall den vom Niedertemperaturteil des Wasserkühlers kommenden Kühlmittelstrom derart, dass damit eine vorgegebene konstante Getriebeöltemperatur realisierbar ist. Bei kalter Kühlmitteltemperatur ist dieses Thermostat geschlossen und öffnet bei einer vorbestimmbaren, höheren Temperatur.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen insbesondere von Getriebeöl bei Brennkraftmaschinen darzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik einen vereinfachten Aufbau aufweist und eine bessere Erwärmung der Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine zweite Steuereinheit aus, die in einer Phase des Aufheizens einer Brennkraftmaschine ab einer vorgegebener Kühlmitteltemperatur eine Kühlmitteldurchströmung eines zweiten Wärmetauscher freigibt. Die zweite Steuereinheit unterbindet bis zu einer vorbestimmbaren Temperatur den Kühlmitteldurchfluss durch eine Rücklauföffnung eines zweiten Wärmetauschers, der infolgedessen nicht mit Kühlmittel durchstömbar ist. Ab einer vorbestimmbaren Temperatur gibt die zweite Steuereinheit den Durchfluss durch die Rücklauföffnung des zweiten Wärmetauscher frei. Das Kühlmittel, das den Wärmtauscher und die zweite Steuereinheit durchströmt ist aus einer Kühlmittelrücklaufleitung der Brennkraftmaschine abgezweigt. Die Steuereinheit kann selbsttätig schaltend ausgeführt sein oder über ein Steuergerät elektrisch ansteuerbar sein.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Steuereinheit als ein Thermostat ausgebildet ist. Das Thermostat weist einen ersten und zweiten Zuflauf- und einen Rücklaufanschluss auf. Ein Dehnstoffelement, das in Abhängigkeit der Temperatur seine Länge ändert, verschließt über einen ersten Ventilteller bis zu einer vorbestimmbaren Temperatur den ersten Zulauf. Ist diese Temperatur überschritten, so hebt der erste Ventilteller ab und öffnet den ersten Zulauf und ein zweiter Ventilteller schließt den zweiten Zulauf. In einer Übergangsphase fließt kurzzeitig durch beide Zuläufe das Kühlmittel.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Heizkreisleitung vorgesehen ist, durch die ein aus dem Kühlmittelrückfluss abgezweigter Kühlmittelstrom fließt und in der ein Wärmetauscher zur Beheizung des Passagierraums angeordnet ist. Der Wärmetauscher zur Beheizung des Passagierraums ist mit Kühlmittel durchströmt. Luft die durch den Wärmetauscher strömt, entzieht dem Kühlmittel Wärmeenergie und führt diese dem Passagierraum zu. Eine Regulierung der Heizleistung erfolgt entweder durch Steuerung des Kühlmittelstroms oder durch Steuerung des Luftstromes durch den Wärmetauscher. Vorzugsweise ist die Rücklaufleitung des Wärmetauschers zur Beheizung des Passagierraums mit der zweiten Steuereinheit und/oder dem zweiten Wärmetauscher verbunden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Heizkreisleitung ein Abgasrückführungskühler angeordnet. Einerseits durchströmt das rückgeführte Abgas den Wärmetauscher für die Abgasrückführung, anderseits ist der Wärmetauscher von Kühlmittel durchströmt, wodurch das Abgas gekühlt ist, bevor es in den Brennraum strömt. Die Kühlung des rückgeführten Abgases reduziert den Stickoxidanteil der Emissionen der Brennkraftmaschine.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Steuereinheit eine Bypassbohrung in einem Ventilteller auf, wodurch in einer Phase, in der der Ölstrom zu kühlen ist, das von der Heizkreisleitung zurückströmende Kühlmittel im wesentlichen über die Bypassbohrung und das vom Niedertemperaturbereich des Luft-Flüssigkeitskühler zurückströmende Kühlmittel über den zweiten Wärmetauscher zur Hauptkühlmittelpumpe zurückfließt. Der zweite Ventilteller ist so angeordnet, dass dieser einen Zulauf vom Luft/Flüssigkeitskühler und von der Heizkreisleitung in die zweite Steuereinheit verschließen kann. Eine Bypassbohrung im zweiten Ventilteller ist so ausgeführt, dass in einer Phase in der der Ölstrom zu kühlen ist, ein großer Anteil des vom Niedertemperaturbereich des Luft/Flüssigkeitskühlers zuströmenden Kühlmittels in den zweiten Wärmetauscher fließt und das warme Kühlmittel aus der Heizkreisleitung im wesentlichen über die Bypassbohrung zurück zur Ansaugseite der Hauptkühlmittelpumpe fließt. Diese Aufteilung des Kühlmittelstroms ist über eine Abstimmung der Drosselquerschnitte der beteiligten Kühlmittelleitungen erreichbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Wärmetauscher ein Getriebeölkühler. Der Wärmetauscher ist einerseits mit Getriebeöl und andererseits mit Kühlmittel durchströmt. Erfolgt eine Kühlung des Getriebeöls, so gibt dieses Wärmeenergie an das Kühlmittel ab. Zur Vorwärmung des Getriebeöls gibt das Kühlmittel Wärme an das Getriebeöl ab.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennkraftmaschine zwei im wesentlichen getrennte Kühlmittelkreisläufe im Kurbelgehäuse und im Zylinderkopf auf, dessen Durchströmung eine dritte Steuereinheit in Abhängigkeit von Kühlmitteltemperatur, Kühlmitteldruck, Brennraumtemperatur, Abgastemperatur, Abgaswerte, Bauteiltemperatur, Öltemperatur, Passagierraumtemperatur und/oder Außentemperatur steuert. Die dritte Steuereinheit ist als be- oder unbeheiztes Thermostatventil, elektrisch angesteuertes Klappenventil, Magnetventil oder als elektrisch angesteuerter Drehschieber ausführbar. Die Betätigung elektrisch angesteuerter Ventile erfolgt über ein Steuergerät. Das Steuergerät verarbeitet die von Sensoren erfassten oben genannten Temperatur-, Abgas- und Druckwerte und errechnet, wann die Schaltung der ersten Steuereinheit im Hinblick auf Emissions- und Verbrauchswerte erfolgt. Die druckabhängige Steuerung des Durchflusses durch das Kurbelgehäuse und/oder den Zylinderkopfs ist darüber hinaus mit einem Druckventil realisierbar. Das Druckventil kann allein oder in Kombination mit den vorher genannten Ventilen eingesetzt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Hauptkühlmittelpumpe mechanisch angetrieben und über eine Kupplung zu- und abschaltbar. Die Hauptkühlmittelpumpe steht in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle und ist über diese angetrieben. Der Antrieb erfolgt über einen Riementrieb oder formschlüssige Elemente wie z.B. Zahnräder. Um den Kühlmittelfluss in der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine zu unterbinden, ist die Hauptkühlmittelpumpe abschaltbar. Die Abschaltung erfolgt über eine Kupplung, die als eine Magnetkupplung, als eine Viskokupplung oder als eine Kupplung, die über einen Reib- oder Formschluss zu öffnen und zu schließen ist, ausführbar ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Heizkreisleitung eine elektrische Zusatzkühlmittelpumpe angeordnet. In Abhängigkeit des erforderlichen Kühlmittelstroms ist die elektrische Zusatzkühlmittelpumpe ergänzend zur Hauptkühlmittelpumpe oder ersatzweise zur abgeschalteten Hauptkühlmittelpumpe eingesetzt. Die Zusatzkühlmittelpumpe ist in der Drehzahl steuerbar und/oder getaktet an- und abschaltbar, damit ist ein dem Bedarf entsprechender Kühlmittelfluss einstellbar.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorwärmen und Kühlen des Getriebeöls in einer Schaltstellung unterhalb einer ersten Kühlmitteltemperatur (z.B. < 70°C),
2 die Vorrichtung aus 1 in einer Schaltstellung oberhalb der ersten Kühlmitteltemperatur (z.B. > 70°C),
3 die Vorrichtung aus 1 in einer Schaltstellung oberhalb einer zweiten Kühlmitteltemperatur (z.B. > 92°)
4 eine vergrößerte Darstellung der in 3 gezeigten zweiten Steuereinheit mit Bypassbohrung.
Gleiche Bauteile in den 1 bis 4 sind im folgenden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die schematische Darstellung der 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 6, die mit einem Kühlkreislauf versehen ist. Die Strömungsrichtung von einem Kühlmittel in dem Kühlkreislauf ist an verschiedenen Stellen jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Das im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlmittel fließt ausgehend von der Hauptkühlmittelpumpe 1 durch die im folgenden beschriebenen Baugruppen.
Die Hauptkühlmittelpumpe 1, die in Wirkverbindung mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 6 steht, wälzt die Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf um. In gezeigter Ausführungsform ist die Hauptkühlmittelpumpe 1 mechanisch abkoppelbar. Der Antrieb der Hauptkühlmittelpumpe 1 erfolgt über einen Riemen, d.h. einen Keil- oder Zahnriemen oder über Zahnräder.
Durch Betätigen einer Kupplung 2, ist die Hauptkühlmittelpumpe vom Antrieb trennbar. Die Kupplung 2 ist elektrisch ansteuerbar.
In einer modifizierten, nicht gezeigten Ausführungsform ist die Hauptkühlmittelpumpe 1 als elektrische Pumpe ausgeführt. Die Drehzahl ist von Null bis zur Maximaldrehzahl regelbar, d.h. in dieser Ausführungsform ist zur Abschaltung der Hauptkühlmittelpumpe 1 keine mechanische Kupplung 2 erforderlich. Desweiteren ist die elektrische Hauptkühlmittelpumpe 1 motordrehzahlunabhängig ansteuerbar. Die Pumpe lässt sich so ansteuern, dass diese genau den erforderlichen Bedarf an Kühlmittel liefert.
Von der Hauptkühlmittelpumpe 1 fließt das Kühlmittel zu einer dritten Steuereinheit 3. Die dritte Steuereinheit 3 ist mit zwei Zulaufanschlüssen einer Brennkraftmaschine verbunden. Der erste Zulaufanschluss 4 leitet das Kühlmittel in einen Zylinderkopf 7 und der zweite Zulaufanschluss 5 in ein Kurbelgehäuse 8. Je nach Betriebszustand führt die dritte Steuereinheit 3 das Kühlmittel dem Zylinderkopf 7 und/oder dem Kurbelgehäuse 8 zu. Die dritte Steuereinheit 3 ist beispielsweise als elektrisch angesteuertes Ventil ausgeführt.
Die Brennkraftmaschine 6 erzeugt durch Verbrennung eines Gas-Luftgemisches neben mechanisch nutzbarer Energie einen hohen Anteil an überschüssiger Wärmeenergie. Um die Brennkraftmaschine 6 nicht zu überhitzen, nimmt ein das die Brennkraftmaschine 6 durchströmendes Kühlmittel die überschüssige Wärme auf und gibt diese über einen Luft-Flüssigkeitskühler 21 an die Umgebung ab. In gezeigter Ausführungsform findet über eine Zylinderkopfdichtung 9 ein Kühlmittelaustausch zwischen Kurbelgehäuse 8 und Zylinderkopf 7 statt. Gibt die dritte Steuereinheit 3 nur den Zulauf für das Kurbelgehäuse 8 frei, so fließt das Kühlmittel in das Kurbelgehäuse 8, dann über die Zylinderkopfdichtung 9 in den Zylinderkopf 7 und über eine Rücklauföffnung 10 am Zylinderkopf 7 aus der Brennkraftmaschine 6.
Gibt die dritte Steuereinheit 3 nur den Zulauf in den Zylinderkopf 7 frei, so fließt das Kühlmittel durch den Zylinderkopf 7 zu der Rücklauföffnung 10. Gibt die erste Steuereinheit 3 den Zulauf für den Zylinderkopf 7 und das Kurbelgehäuse 8 frei, so fließt ein Teil des Kühlmittels über das Kurbelgehäuse 8 und den Zylinderkopf 7 zur Rücklauföffnung 10 und der andere Teil durch den Zylinderkopf 7 zur Rücklauföffnung 10.
In einer modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsform weist die Brennkraftmaschine 6 völlig getrennte Kühlkreisläufe im Kurbelgehäuse 8 und im Zylinderkopf 7 auf, d.h. über die Zylinderkopfdichtung 9 findet kein Kühlmittelaustausch statt. Kurbelgehäuse 8 und Zylinderkopf 7 weisen dann jeweils eine Rücklauföffnung für das Kühlmittel auf. Das aus den zwei Rücklauföffnungen ausströmende Kühlmittel sammelt sich in einer gemeinsamen, weiterführenden Leitung.
Der aus der Brennkraftmaschine austretende Kühlmittelstrom strömt teilweise in eine Heizkreisleitung 12 und teilweise in einen Kühlkreislauf 11.
Ein Teil des Kühlmittelstroms fließt in der Heizkreisleitung 12. In 1 ist ein Abgasrückführungskühler 13 in der Heizkreisleitung 12 stromabwärts nach der Brennkraftmaschine 6 angeordnet. Abgasrückführungskühler 13 finden in Dieselmotoren Anwendung. Durch die Kühlung des der Verbrennung erneut zugeführten Abgases verringert sich die Verbrennungstemperatur und damit der NO_x-Gehalt des Abgases. In dem Abgasrückführungskühler 13 übertragen die mit hoher Temperatur durchströmende Abgase Wärmeenergie auf das Kühlmittel.
Desweiteren ist stromabwärts in der Heizkreisleitung 12 ein Wärmetauscher 14 angeordnet, der zum Beheizen eines Passagierraumes dient. Bei Anforderung einer Passagierraumbeheizung entzieht der Wärmetauscher 14 für den Passagierraum dem Kühlmittel Wärmeenergie und führt diese dem Passagierraum zu.
Ein Schmieröl nimmt ein Teil der Verlustwärme der Brennkraftmaschine 6 auf. Bei stärkeren Motorisierungen reicht zur Einhaltung der maximal zulässigen Schmieröltemperatur die Kühlung über eine Ölwanne nicht mehr aus, so dass ein Motoröl/Kühlmittel Wärmetauscher, im weiteren genannt Motorölkühler 15, zum Einsatz kommt, der dem Schmieröl Wärme entzieht und diese dem Kühlmittel zuführt. Die Kühlmittelzuleitung des Motorölkühlers 15 zweigt in 1 nach der Hauptkühlmittelpumpe 1 und vor der dritten Steuereinheit 3 ab, die Rücklaufleitung mündet in eine Kühlmittelrücklaufleitung der Brennkraftmaschine 6.
In weiteren nicht gezeigten, modifizierten Ausführungsformen ist der Motorölkühler 15 an anderen Stellen im Kühlkreislauf wie z.B. in der Heizkreisleitung 12, in einer parallel zum Zylinderkopf 7 oder in einer parallel zum Kurbelgehäuse 8 verlaufenden Leitung anordenbar.
In einer modifizierten nicht gezeigten Ausführungsform ist bei aufgeladenen Motoren im Kühlkreislauf eine Luft/Wasser-Ladeluftkühler angeordnet. Die mit sinkender Ladelufttemperatur erreichte Dichtesteigerung führt infolge einer verbesserten Zylinderfüllung zu einer höheren Leistung. Außerdem verringert die niedrigere Temperatur die thermische Belastung des Motors und führt zu geringeren NO_x-Anteilen im Abgas. Die im Lader komprimierte Ansaugluft gibt im Ladeluftkühler Wärmeenergie an die Kühlflüssigkeit ab.
Eine Zusatzkühlmittelpumpe 16 ist in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher 14 für den Passagierraum platziert. Diese ist elektrisch betrieben und in Abhängigkeit des Betriebszustandes zuschaltbar. Der Einsatz einer Zusatzkühlmittelpumpe 16 ist vorzugsweise in Kombination mit einer mechanischen, motordrehzahlabhängigen, nicht steuerbaren Hauptkühlmittelpumpe 1 vorzusehen. Über die Zusatzkühlmittelpumpe 16 ist die Kühlmittelumwälzung entsprechend dem Kühlungsbedarf der Brennkraftmaschine 6 steuerbar.
Ein Teil des aus der Brennkraftmaschine 6 austretenden Kühlmittels fließt in einen kleinen Kühlkreislauf 18 bzw. in einen großen Kühlkreislauf 20. Von der Rücklauföffnung 10 der Brennkraftmaschine 6 fließt das Kühlmittel zu einer ersten Steuereinheit 17. Die erste Steuereinheit 17 leitet in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur das Kühlmittel in einem großen Kühlkreislauf 20 über einen Luft-Flüssigkeitskühler 21 oder über einen kleinen Kühlkreislauf 18 unter Umgehung des Luft-Flüssigkeitskühler 21 zur Ansaugseite der Hauptkühlmittelpumpe 1 zurück. Die erste Steuereinheit 17 kann ein Dehnstoffelement aufweisen, das ab einer bestimmten Kühlmitteltemperatur vom kleinen Kühlkreislauf 18 auf den großen Kühlkreislauf 20 umschaltet. Alternativ kann die zweite Steuereinheit 17 auch beheizbar oder als elektrisch angesteuertes Mischventil ausgeführt sein.
Der Luft-Flüssigkeitskühler 21 weist eine Rückflussöffnung aus dem Normaltemperaturbereich 22 und eine Rückflussöffnung aus dem Niedertemperaturbereich 23 auf. Das Kühlmittel aus dem Niedertemperaturbereich verweilt länger in dem Luft-Flüssigkeitskühler 21 und nimmt daher gegenüber dem Kühlmittel aus dem Normaltemperaturbereich eine geringere Temperatur an.
In dem kleinen Kühlkreislauf 18 ist zwischen der zweiten Steuereinheit 17 und der Ansaugseite der Hauptkühlmittelpumpe 1 ein Differenzdruckventil 19 angeordnet. Ist bei niederen Kühlmitteltemperaturen der Druck stromabwärts nach der zweiten Steuereinheit 17 klein, so sperrt das Differenzdruckventil 19 den Durchfluss. Ab einem bestimmten Mindestdruck öffnet das Differenzdruckventil 19 und gibt den Durchfluss in Strömungsrichtung frei. Entgegen der in 1 eingezeichneten Strömungsrichtung sperrt das Differenzdruckventil den Durchfluss.
Neben der Brennkraftmaschine 1 erzeugt ein in Kraftfahrzeugen eingesetztes Getriebe 30 Verlustwärme. Um das Getriebeöl nicht zu überhitzen, ist es über einen Getriebeölkühler 24 gekühlt. Dieser ist einerseits von dem Kühlmittel der Brennkraftmaschine 1 und andererseits von Getriebeöl durchströmt. In dem Getriebeölkühler 24 findet ein Wärmeaustausch zwischen Getriebeöl und Kühlmittel statt. Der Kühlmittelzulauf des Getriebeölkühlers 24 ist mit einer Rücklaufleitung 23 des Niedertemperaturbereichs des Luft-Flüssigkeitskühler 21 und der Rücklaufleitung der Heizkreisleitung 12 verbunden, die Kühlmittelrücklauföffnung des Getriebeölkühlers 24 ist mit einer zweiten Steuereinheit 27 verbunden. Das Getriebe 30 ist über die Vorlaufleitung 29 und die Rücklaufleitung 28 mit dem Getriebeölwärmetauscher 24 verbunden.
Die zweite Steuereinheit 27 weist einen ersten Zulaufanschluss 31, einen zweiten Zulaufanschluss 32 und einen Rücklaufanschluss 33 auf. Ein nicht gezeigtes Dehnstoffelement, das in Abhängigkeit der Temperatur seine Länge ändert, verschließt über einen ersten Ventilteller 25 bis zu einer vorbestimmbaren Temperatur den ersten Zulaufanschluss 31. Das Kühlmittel fließt dann über den zweiten Zulaufanschluss 32 in die zweite Steuereinheit 27 und über den Rücklaufanschluss 33 zurück zur Hauptkühlmittelpumpe 1. Ist diese Temperatur überschritten, so hebt der erste Ventilteller 25 ab und öffnet den ersten Zulauf 31 und ein zweiter Ventilteller 26 schließt den zweiten Zulauf 32. Dann fließt das Kühlmittel über den ersten Zulaufanschluss 31 in die zweite Steuereinheit 27 und über der Rücklaufanschluss 33 zurück zur Hauptkühlmittelpumpe 1. Der zweite Ventilteller 26 weist eine in 4 gezeigte Bypassöffnung 34 auf, durch die bei geschlossenem Ventilteller 26 ein Kühlmittelstrom fließt.
Mit der in 1 gezeigten Anordnung ist entsprechend der Betriebstemperatur der Fluss des Kühlmittelstroms durch die Brennkraftmaschine 1 so beeinflussbar, dass die Emissionen reduziert sind. Bei der kalten Brennkraftmaschine 1 ist keine Kühlung erforderlich und die Hauptkühlmittelpumpe 1 ist über die Kupplung 2 abgeschaltet. Damit bei niedrigen Außentemperaturen aus Komfortgründen der Passagierraum beheizbar ist, fördert eine elektrisch Zusatzkühlmittelpumpe 16 im Bedarfsfall Kühlmittel durch den Zylinderkopf 7 und der Heizkreisleitung 12. Die Durchströmung des Kurbelgehäuses 8 ist durch die dritte Steuereinheit 3 unterbunden. In der zweiten Steuereinheit 27 verschließt der erste Ventilteller 25 den ersten Zulaufanschluss 31, damit ist eine Durchströmung des Getriebeölkühlers 24 mit Kühlmittel nicht möglich. Die Wärmeenergie des Kühlmittels ist daher in vorteilhafter Weise ausschließlich zur Beheizung des Passagierraums nutzbar. Das Differenzdruckventil 19 verhindert, dass das Kühlmittel nicht über den kleinen Kühlkreislauf 18 entgegen der eingezeichneten Strömungsrichtung an dem Zylinderkopf 7 vorbeiströmt und sich nicht erwärmt. Die Abschaltung der Hauptkühlmittelpumpe 1 reduziert den Leistungsverlust durch Nebenaggregate der Brennkraftmaschine, hierdurch sind Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen reduziert. Dadurch, dass keine Kühlmittelumwälzung statt findet, kann sich zudem das Motoröl schneller erwärmen und der Zeitraum in dem hohe Reibungsverluste aufgrund von kaltem Motoröl auftreten ist verkürzt. Dies liefert einen weiteren Betrag zur Kraftstoff- und Emissionsreduzierung nach dem Kaltstart.
Bei weiterer Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 und der Notwendigkeit den Zylinderkopf 7 aufgrund hoher Brennraumtemperaturen zu kühlen, schaltet die Hauptkühlmittelpumpe 1 zu. Nicht gezeigte Stegsensoren zwischen Ein- und Auslassventilen der Brennkraftmaschine 1 messen die Brennraumtemperatur und übermitteln dies an ein nicht gezeigtes Steuergerät, das die Zuschaltung der Hauptkühlölpumpe auslöst. Gleichzeitig führt die dritte Steuereinheit 3 nur dem Zylinderkopf 7 Kühlmittel zu, das Motoröl im Kurbelgehäuse 8 kann sich weiterhin erwärmen. Damit sich das Kühlmittel schnell erwärmt leitet die erste Steuereinheit 17 das Kühlmittel über einen kleinen Kühlkreislauf 18 unter Umgehung des Luft-Flüssigkeitskühler 21 zur Ansaugseite der Hauptkühlmittelpumpe 1 zurück. Alternativ kann in dieser Phase auch die Zusatzkühlmittelpumpe 16 die Umwälzung des Kühlmittels übernehmen und die Hauptkühlmittelpumpe 1 bleibt weiter abgeschaltet. Allerdings muss für diesen Fall die Zusatzkühlmittelpumpe 16 dementsprechend größer dimensioniert sein. Das Differenzdruckventil 19 verhindert auch hier, dass das Kühlmittel nicht über den kleinen Kühlkreislauf 18 entgegen der eingezeichneten Strömungsrichtung an dem Zylinderkopf 7 vorbeiströmt.
Erfordert die weiterer Erwärmung der Brennkraftmaschine 1 eine Kühlung des Kurbelgehäuses 8, so führt die erste Steuereinheit 3 auch Kühlmittel dem Kurbelgehäuse 8 zu. Der Kühlmittelstrom durch das Kurbelgehäuse ist zwischen Null und dem von den Kühlmittelpumpen gelieferten maximalen Volumenstrom variierbar. Damit lassen sich unterschiedliche Temperaturen an Zylinderkopf 7 und Kurbelgehäuse 8 einstellen. Vorzugsweise ist der Zylinderkopf 7 bzw. die Temperatur im Brennraum möglichst niedrig, damit sind niedrige Emissionswerte erzielbar. Das Kurbelgehäuse 8 sollte eine Betriebstemperatur von ca. 80°C aufweisen, so dass geringe Reibungsverluste auftreten. Bis zu einer Temperatur von ca. 70°C ist aufgrund der Stellung des ersten Ventiltellers 25 in der zweiten Steuereinheit 27 der Getriebeölkühler nicht durchströmt. Bis zur Temperatur von 70°C ist die durch die Verbrennung anfallende Wärmeenergie ausschließlich zur schnellen Erwärmung der Brennkraftmaschine zur Erzielung eines geringen Kraftstoffverbrauchs und niedriger Emissionswerte und aus Komfortgründen zur Erwärmung des Passagierraums verwendbar.
Bei weiterer Erwärmung steht so viel Wärmeenergie zur Verfügung, dass es sinnvoll ist diese zur Vorwärmung des Getriebes 30 zu verwenden. Durch Vorwärmung des kalten Getriebes reduziert sich die mechanische Verlustleistung. Wie in 2 gezeigt, ist oberhalb von 70°C aufgrund der Längendehnung des nicht gezeigten Dehnstoffelementes der zweite Zulaufanschluss 32 durch den zweiten Ventilteller 27 geschlossen und der erste Zulaufanschluss 31 geöffnet.
Der Getriebeölkühler 24 ist mit aus der Heizkreisleitung zurückströmenden Kühlmittel durchströmt, wodurch das Getriebeöl vorgewärmt ist und die mechanischen Verluste des Getriebes reduziert sind. Der Luft-Flüssigkeitskühler 21 ist weiterhin nicht durchströmt. Je nachdem, wie viel Wärmeenergie der Abgasrückführungskühler 13 und der Wärmetauscher 14 für die Passagierheizung dem Kühlmittel entziehen, verschiebt sich die Kühlmittelaustrittstemperatur der Brennkraftmaschine 6, ab der eine Getriebeölerwärmung einsetzt, nach oben. Ab 70°C Kühlmittelaustrittstemperatur ist das Getriebe 30 vorgewärmt, wenn keine Heizungsanforderung besteht und keine Abgasrückführungskühlung stattfindet. Bei eingeschalteter Passagierraumheizung ist das Getriebe z.B. erst ab 80°C Kühlmittelaustrittstemperatur vorgewärmt. Aus Komfortgründen hat wiederum die Passagierraumheizung vor der Getriebeerwärmung Vorrang.
Wie in 3 gezeigt, leitet ab einer Temperatur von ca. 92°C die erste Steuereinheit 17 das Kühlmittel in einen Luft-Flüssigkeitskühler 21, der einen Normaltemperaturbereich und einen Niedertemperaturbereich umfasst. Das aus der Rückflussöffnung des Normaltemperaturbereichs 22 austretende Kühlmittel fließt zurück zur Hauptkühlmittelpumpe 1.
Das aus der Rückflussöffnung aus dem Niedertemperaturbereich 23 austretende Kühlmittel mischt sich mit Kühlmittel aus der Heizkreisleitung 12 und fließt aufgrund der Stellung der zweiten Steuereinheit 27 über den Getriebeölkühler 24, der zweiten Steuereinheit 27 und Rücklaufanschluss 33 zurück zur Hauptkühlmittelpumpe 1. Da der Volumenstromanteil von kaltem Kühlmittel im Vergleich zu dem Volumenstromanteil von warmem Kühlmittel durch den Getriebeölkühler 24 hoch ist, ergibt sich eine gute Kühlleistung für das Getriebe.
Wie in 4 gezeigt weist der zweite Ventilteller 26 eine Bypassbohrung 34 auf, durch die vorzugsweise das warme Kühlmittel aus der Heizkreisleitung 12 fließt. Durch gezielte Abstimmung der verschiedenen Kühlmittelleitungsquerschnitte und des Durchmessers der Bypassbohrung 34 fließt das aus der Rückflussöffnung aus dem Niedertemperaturbereich 23 des Luft-Flüssigkeitskühlers 21 strömende Kühlmittel im wesentlichen über den Getriebeölkühler 24 und das warme Kühlmittel aus der Heizkreisleitung 12 über die Bypassbohrung 34 zurück zur Hauptkühlmittelpumpe 1. Diese spezielle Anordnung und die gezielte Abstimmung liefert einen weiteren Beitrag zu einer effizienten Getriebekühlung.
Die beschriebene Vorrichtung zum Kühlen und Erwärmen des Getriebeöls ist selbstverständlich auch mit einem Luft-Flüssigkeitskühler 21 ohne Niedertemperaturbereich ausführbar.
Die in dem Ausführungsbeispiel genannten Schalttemperaturen der Steuereinheiten sind beispielhaft und sind je nach Anwendungsfall zur Optimierung des Gesamtsystems beliebig verschiebbar.
In einer modifizierten, nicht gezeigten Ausführungsform ist die Hauptkühlmittelpumpe 1 als elektrische Pumpe ausgeführt. Die Drehzahl ist von Null bis zur Maximaldrehzahl regelbar, d.h. in dieser Ausführungsform ist zur Abschaltung der Hauptkühlmittelpumpe 1 keine mechanische Kupplung 2 erforderlich. Desweiteren ist die elektrische Hauptkühlmittelpumpe 1 motordrehzahlunabhängig ansteuerbar. Die Pumpe lässt sich so ansteuern, dass diese genau den erforderlichen Bedarf an Kühlmittel liefert.

Claims

Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen für eine Brennkraftmaschine (6), die einen Kühlmittelzulaufanschluss (4, 5) und einen Kühlmittelrücklaufanschluss (10) aufweist, mit – einer Hauptkühlmittelpumpe (1), die ein Kühlmittel über den Kühlmittelzulaufanschluss (4, 5) in die Brennkraftmaschine (6) und über den Kühlmittelrücklaufanschluss (10) zu einer ersten Steuereinheit (17) fördert, die temperaturabhängig das Kühlmittel entweder in einem großen Kühlkreislauf (20) über einen Luft/Flüssigkeitskühler (21) oder in einem kleinen Kühlkreislauf (18) unter Umgehung des Luft/Flüssigkeitskühler (21) zum Ansaugkanal der Hauptkühlmittelpumpe zurückleitet, – einem zweiten Wärmetauscher (24), der einerseits mit dem Kühlmittel und anderseits mit Öl durchströmt ist und – einer zweiten Steuereinheit (27), die zum Aufheizen des Ölstromes im zweiten Wärmetauscher (24) einen Kühlmittelvorlaufstrom aus dem Rückflussanschluss der Brennkraftmaschine (10) abzweigt und zum Kühlen des Ölstromes einen Kühlmittelstrom aus einer Rückflussöffnung eines Niedertemperaturbereichs (23) des Luft/Flüssigkeitskühler (21) entnimmt dadurch gekennzeichnet, dass – in der Phase des Aufheizens der Brennkraftmaschine (6) die zweite Steuereinheit (27) ab einer vorgegebenen Kühlmitteltemperatur die Kühlmitteldurchströmung des zweiten Wärmetauscher (24) freigibt.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinheit (27) als ein Thermostat ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizkreisleitung (12) vorgesehen ist, durch die ein aus dem Kühlmittelrückfluss abgezweigter Kühlmittelstrom fließt und in der ein Wärmetauscher (14) zur Beheizung des Passagierraums angeordnet ist.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizkreisleitung (12) ein Abgasrückführungskühler (13) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Steuereinheit (27) eine Bypassbohrung (34) in einem Ventilteller (25) aufweist, wodurch in einer Phase, in der der Ölstrom zu kühlen ist, das aus der Heizkreisleitung (12) zurückströmende Kühlmittel im wesentlichen über die Bypassbohrung (34) und das aus der Rückflussöffnung des Niedertemperaturbereich (23) des Luft-Flüssigkeitskühlers (21) zurückströmende Kühlmittel über den zweiten Wärmetauscher (24) zur Hauptkühlmittelpumpe (1) zurückfließt.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (24) ein Getriebeölkühler ist.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (6) zwei im wesentlichen getrennte Kühlmittelkreisläufe im Kurbelgehäuse (8) und im Zylinderkopf (7) aufweist, dessen Durchströmung eine dritte Steuereinheit (3) in Abhängigkeit von Kühlmitteltemperatur, Kühlmitteldruck, Brennraumtemperatur, Abgastemperatur, Abgaswerte, Bauteiltemperatur, Öltemperatur, Passagierraumtemperatur und/oder Außentemperatur steuert.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkühlmittelpumpe (1) mechanisch angetrieben und über eine Kupplung (2) zu- und abschaltbar ist.
Vorrichtung zum Kühlen und Vorwärmen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizkreisleitung 12 eine elektrische Zusatzkühlmittelpumpe (16) angeordnet ist.