DE10332947A1

DE10332947A1 - Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10332947A1
Application number: DE10332947A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Pfeffinger; 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: 2005-02-03
Also published as: US7237513B2; US20060157002A1; JP2006528297A; WO2005012704A1

Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, mit DOLLAR A einem Zylinderkopf (7), der einen Kühlmittelzulaufanschluss (4) und einen Rücklaufanschluss (10) aufweist, einem Kurbelgehäuse (8) mit einem Kühlmittelzulaufanschluss (5) und einem mit dem Zylinderkopf (7) gemeinsamen Kühlmittelrücklaufanschluss (10) und/oder einem dem Kurbelgehäuse (8) zugeordneten Rücklaufanschluss, einer Hauptkühlmittelpumpe (1), dessen Saugseite mit einem Kühlmittelrücklaufanschluss verbunden ist und dessen Druckseite mit einer ersten Steuereinheit (3) verbunden ist, die in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur Kühlmittel dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfes (4) und/oder dem Zulaufanschluss des Kurbelgehäuses (5) zuführt sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei der Brennkraftmaschine die Hauptkühlmittelpumpe (1) zu- und abschaltbar, für das Verfahren ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine (6) der Kühlmittelfluss vollständig unterbunden wird oder Kühlmittel in dem Zylinderkopf (7) und/oder dem Kurbelgehäuse (8) umgewälzt wird. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, und zum anderen ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.
Aus der Offenlegungsschrift DE 28 41 555 A1 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, die für ein Kurbelgehäuse und einen Zylinderkopf jeweils einen Kühlwasserzulauf aufweist. Eine Pumpe fördert Kühlmittel zu einem temperaturgesteuerten Ventil. Das Ventil speist je nach Ausführungsform Kühlmittel in den Zylinderkopf und/oder das Kurbelgehäuse ein. Damit ist eine ständige Durchströmung des Zylinderkopfes und eine Durchströmung des Kurbelgehäuses erst nach dem Erreichen der Betriebstemperatur darstellbar. Die vor dem Erreichen der Betriebstemperatur nicht umgewälzte Kühlflüssigkeit im Kurbelgehäuse kann sich sehr schnell erwärmen, wodurch die nach einem Kaltstart auftretende Reibungsverluste rasch zurückgehen. Die über den Zylinderkopf strömende Kühlflüssigkeitsmenge erwärmt sich durch die Wärmeentwicklung der im Zylinderkopf stattfindenden Verbrennung sehr schnell, so dass die Verbrennungsmaschine durch die vorgeschlagene Kühlmittelzuführung nach kurzer Zeit die Betriebstemperatur erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Aufwärmzeit einer Brennkraftmaschine nach einem Kaltstart weiter zu verkürzen um damit Verbrauch und Abgasemissionen zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine zu- und abschaltbare Hauptkühlmittelpumpe aus. Um in einer Aufwärmphase eine schnelle Brennraumerwärmung sicherzustellen, findet in der Brennkraftmaschine keine Umwälzung des Kühlmittels statt, d.h. das Kühlmittel im Kurbelgehäuse und im Zylinderkopf steht. Das Pumpenrad der Hauptkühlmittelpumpe ist nicht angetrieben. Das Motoröl ist schnell erwärmt, wodurch dessen Viskosität sinkt und die Kolbenreibung reduziert ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Hauptkühlmittelpumpe mechanisch angetrieben und über eine Kupplung abschaltbar. Es ist eine Hauptkühlmittelpumpe, die in Wirkverbindung mit der Kurbelwelle steht und über diese angetrieben ist, vorgesehen. 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 Magnetkupplung, Viskokupplung oder eine Kupplung, die einen Reib- oder Formschluss aufhebt, ausgeführt sein kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Hauptkühlmittelpumpe elektrisch angetrieben und die Drehzahl ist über eine Steuervorrichtung steuerbar. Je nach Kühlbedarf der Brennkraftmaschine ist die Hauptkühlmittelpumpe vollständig abschaltbar oder in der Drehzahl steuerbar und/oder getaktet an- und abschaltbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung schaltet eine erste Steuereinheit in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter wie Kühlmitteltemperatur, Kühlmitteldruck, Brennraumtemperatur, Abgastemperatur, Abgaswerte, Bauteiltemperatur, Öltemperatur, Passagierraumtemperatur oder Außentemperatur. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine speist die erste Steuereinheit Kühlmittel in einen Zylinderkopf und/oder in ein Kurbelgehäuse. Die erste Steuereinheit ist als be- oder unbeheiztes Thermostatventil, elektrisch angesteuertes Klappenventil, Magnetventil oder als elektrisch angesteuerter Drehschieber ausführbar. Die Betätigung eines elektrisch ansteuerbaren Ventils 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 im Zylinderkopf zwischen Ein- und Auslassventil ein Stegsensor zur Erfassung der Brennraumtemperatur angeordnet. Die Brennraumtemperatur beeinflusst entscheidend die Abgaswerte der Brennkraftmaschine. Je nach Brennraumtemperatur speist die erste Steuereinheit Kühlmittel in den Zylinderkopf und/oder in das Kurbelgehäuse. Der Stegsensor ist in dem Steg zwischen einem Ein- und Auslassventil angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung leitet eine zweite Steuereinheit, die mit einer Kühlmittelrücklaufleitung der Brennkraftmaschine verbunden ist, temperaturabhängig das Kühlmittel entweder in einem großen Kreislauf über einen Luft-Flüssigkeitskühler oder in einem kleinen Kreislauf unter Umgehung des Luft-Flüssigkeitskühlers zum Ansaugkanal der Hauptkühlmittelpumpe zurück, desweiteren ist eine Heizkreisleitung vorgesehen, durch die ein aus einer Kühlmittelrücklaufleitung der Brennkraftmaschine abgezweigter Teilstrom unter Umgehung der zweiten Steuereinheit zur Hauptkühlmittelpumpe zurückfließt und in der eine elektrische Zusatzkühlmittelpumpe angeordnet ist.
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.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der zweiten Steuereinheit und der Hauptkühlmittelpumpe ein Differenzdruckventil angeordnet. Das Differenzdruckventil öffnet ab einem bestimmten Druck und gibt eine Leitung zur Hauptkühlmittelpumpe frei. Unterhalb diese Druckes z.B. bei niederen Motordrehzahlen fließt damit kein Kühlmittel durch den kleinen Kühlkreislauf, d.h. das Kühlmittel fließt vorzugsweise über den Heizkreislauf zurück zur Kühlmittelpumpe. Soll bei niederen Temperaturen die Kühlmittelumwälzung ausschließlich über die Zusatzkühlmittelpumpe erfolgen, so verhindert das Differenzdruckventil den Rückfluss des Kühlmittels zur zweiten Steuereinheit und die damit verbundene Rückströmung des Kühlmittels zum Ansaugkanal der Zusatzkühlmittelpumpe unter Umgehung des Zylinderkopfes und/oder des Kurbelgehäuses. Das Differenzdruckventil umfasst damit zwei Funktionen, Vorrangschaltung für den Heizkreislauf und Rückflusssperre. Soll auf die Funktion Vorrangschaltung für den Heizkreislauf verzichtet werden, so ist an dieser Stelle selbstverständlich ein einfaches Rückschlagventil einsetzbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Heizkreisleitung ein Wärmetauscher für Abgasrückführung, Passagierheizung und/oder Motoröl 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. Der Wärmetauscher für die Passagierheizung ist einerseits mit Kühlmittel andererseits mit Luft durchströmt, die sich im Wärmetauscher erwärmt und dadurch den Innenraum beheizt. Die Regulierung der Heizleistung erfolgt entweder durch Steuerung des Kühlmittelstroms oder des Luftstromes durch den Wärmetauscher. Zur Kühlung des Motoröls, ist ebenfalls ein Wärmetauscher vorgesehen, der einerseits mit Motoröl und andererseits mit Kühlmittel durchströmt ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher für den Passagierraum in der Heizkreisleitung angeordnet und die Wärmetauscher für die Abgasrückführung und das Motoröl sind in einer Kühlmittelleitung, die nach der Hauptkühlmittelpumpe und vor dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet. In dieser Anordnung sind bei durchströmten Luft-Flüssigkeitskühler die Wärmetauscher für die Abgasrückführung und das Motoröl mit gekühltem Motoreintrittswasser versorgt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher für den Passagierraum und für das Motoröl in der Heizkreisleitung angeordnet und der Wärmetauscher für die Abgasrückführung in einer Kühlmittelleitung, die nach der Kühlmittelpumpe und vor dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet. Die Anordnung des Wärmetauschers für die Passagierheizung vor dem Motorölwärmetauscher ist vorteilhaft, da zuerst der Passagierraum mit Wärme versorgt ist und weniger Wärme an das Motoröl übergeht. Der Wärmetauscher für die Abgasrückführung ist bei durchströmten Luft-Flüssigkeitskühler mit gekühltem Motoreintrittswasser versorgt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher für den Passagierraum in der Heizkreisleitung angeordnet, der Wärmetauscher für die Abgasrückführung in einer Kühlmittelleitung, die nach der Kühlmittelpumpe und vor dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet und der Wärmetauscher für das Motoröl in einer Kühlmittelleitung, die nach der ersten Steuereinheit und vor dem Zulaufanschluss des Kurbelgehäuses abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet. Über die erste Steuereinheit ist durch oben genannte Anordnung der Kühlmitteldurchfluss durch das Kurbelgehäuse und den Motorölwärmtauscher abschaltbar, der Abgasrückführkühler ist bei durchströmten Luft-Flüssigkeitskühler mit gekühltem Motoreintrittswasser versorgt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Getriebeölkühler vorgesehen, dessen Zulauf mit einer Rücklaufleitung des Luft-Flüssigkeitskühler und eine Rücklaufleitung des Heizkreislaufs verbunden ist und dessen Ablauf mit der Saugseite der Hauptkühlmittelpumpe verbunden ist. Das Getriebeöl durchströmt den Getriebeölkühler und ist durch den Kühlmittelrücklaufstrom des Luft-Flüssigkeitskühler und/oder des Rücklaufstromes aus der Heizkreisleitung gekühlt oder erwärmt. Bei kalter Brennkraftmaschine fließt das Kühlmittel nicht durch den Luft-Flüssigkeitskühler. Damit ist der Getriebeölkühler ausschließlich mit warmem Kühlmittel aus dem Heizkreislauf durchströmt, das zur Erwärmung des Getriebeöls beiträgt. Hat die Brennkraftmaschine Betriebstemperatur erreicht, so fließt neben dem Rücklaufstrom aus dem Heizkreislauf Kühlmittel zur Kühlung des Getriebeöls aus dem Luft-Flüssigkeitskühler in den Getriebeölwärmetauscher. Das Kühlmittel ist auf der Kaltseite oder aus einem Niedertemperaturbereich des Luft-Flüssigkeitskühlers zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Hauptkühlmittelpumpe (1) abgeschaltet wird, sofern die Brennkraftmaschine keine Kühlung erfordert und die Hauptkühlmittelpumpe (1) zugeschaltet und Kühlmittel in dem Zylinderkopf (7) und/oder dem Kurbelgehäuse (8) umgewälzt wird, sofern Kühlung erforderlich ist. Durch die Abschaltung der Kühlmittelumwälzung erwärmt sich die Brennkraftmaschine sehr schnell. Bei weiterer Erwärmung der Brennkraftmaschine wälzt die Haupt- und/oder Zusatzkühlmittelpumpe das Kühlmittel um, die erste Steuereinheit führt das Kühlmittel nur dem Zylinderkopf zu, so dass sich das Öl im Kurbelgehäuse weiterhin erwärmen kann und die Reibungsverluste vermindert werden. Bei Erreichen der Betriebsöltemperatur wird über die erste Steuereinheit das Kühlmittel neben dem Zylinderkopf auch dem Kurbelgehäuse zugeführt.
In Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren zur Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses eine elektrische Zusatzkühlmittelpumpe eingesetzt. Die mechanisch angetriebene Hauptkühlmittelpumpe fördert bei niederen Motordrehzahlen sehr wenig Kühlmittel. Von Nachteil ist, dass bei niedrigen Außentemperaturen über den Wärmetauscher für den Passagierraum aufgrund des niedrigen Kühlmitteldurchflusses nur sehr wenig Wärme zur Aufheizung des Passagierraumes entnommen werden kann. Für diesen Fall wird bedarfsabhängig zur Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses die elektrische Zusatzkühlmittelpumpe zugeschaltet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren die Hauptkühlmittelpumpe abgeschaltet und das Kühlmittel durch die elektrische Zusatzkühlmittelpumpe umgewälzt. In einem Betriebszustand in dem für die Brennkraftmaschine keine oder wenig Kühlung erforderlich ist, ist die Hauptkühlmittelpumpe abgeschaltet. Eine zugeschaltete elektrische Zusatzkühlmittelpumpe übernimmt die Umwälzung des Kühlmittels durch den Wärmetauscher für den Passagierraum zur Aufrechterhaltung der Passagierraumbeheizung.
Die Drehzahl der elektrischen Zusatzkühlmittelpumpe wird so gesteuert, dass der für den Heizbedarf des Passagierraums bzw. den Kühlbedarf der Brennkraftmaschine erforderliche Kühlmitteldurchfluss zur Verfügung steht.
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 erste Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 eine zweite Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
3 eine dritte Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs. der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
4 eine vierte Ausführungsform des Kühlmittelkreislaufs der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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 und kann zum Beispiel über eine Magnetkupplung zu oder abgeschaltet sein.
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 mechanisch 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 ersten Steuereinheit 3. Die erste 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 erste Steuereinheit 3 das Kühlmittel dem Zylinderkopf 7 und/oder dem Kurbelgehäuse 8 zu. Die erste Steuereinheit 3 ist 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 dies 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 erste 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 erste 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 einen Heizkreislauf 12 und teilweise in einen Kühlkreislauf 11.
Der Heizkreislauf 12 ist in folgendem Abschnitt beschrieben. In 1 ist ein Abgasrückführungskühler 13 im Heizkreislauf stromabwärts nach der Brennkraftmaschine 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 im Heizkreislauf ein Wärmetauscher angeordnet, der zum Beheizen eines Passagierraumes dient. Bei Anforderung einer Passagierraumbeheizung entzieht der Wärmetauscher für den Passagierraum 14 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. Der Motorölkühler 15 ist in 1 stromabwärts nach dem Wärmetauscher für den Passagierraum 14 angeordnet.
Eine Zusatzkühlmittelpumpe 16 ist in Strömungsrichtung nach dem Motorölkühler 15 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, die im Folgenden beschrieben sind. Von der Rücklauföffnung 10 der Brennkraftmaschine 6 fließt das Kühlmittel zu einer zweiten Steuereinheit 17. Die zweite 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 zweite 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.
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.
Ein Steuergerät 23 verarbeitet die von nicht gezeigten Sensoren erfassten Werte über Druck, Temperatur, Abgas etc., bestimmt daraus die optimalen Betriebsbedingungen und Schaltstellungen der ersten Steuereinheit 3, der zweiten Steuereinheit 17, sofern elektrisch ansteuerbar, der Kupplung 2 der Hauptkühlmittelpumpe 1 und die Drehzahl der Zusatzkühlmittelpumpe 16 und steuert diese dementsprechend an. Vorzugsweise ist das Steuergerät 23 mit in einem für die Motorsteuerung zuständigen Steuergerät integriert.
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.
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 den Heizkreislauf 12. 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 das Steuergerät 23, das die Zuschaltung der Hauptkühlmittelpumpe auslöst. Gleichzeitig führt die erste Steuereinheit 3 nur dem Zylinderkopf Kühlmittel zu, das Motoröl im Kurbelgehäuse 8 kann sich weiterhin erwärmen. 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 17 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 8 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. Die Temperatur im Kurbelgehäuse 8 sollte eine Betriebstemperatur von ca. 80°C haben, so dass geringe Reibungsverluste auftreten.
Bei zunehmender Erwärmung des Kühlmittels öffnet die zweite Steuereinheit 17, so dass das Kühlmittel in dem großen Kühlkreislauf 20 fließt, über den Luft-Flüssigkeitskühler 21 gekühlt ist und sich nicht weiter erwärmt.
2 zeigt einen Kühlmittelkreislauf mit gegenüber 1 geänderter Anordnung des Abgasrückführungskühlers 13 und des Motorölkühlers 15. In dieser Ausführung ist der Abgasrückführungskühlers 13 und der Motorölkühler 15 mit kälterem, von der Brennkraftmaschine 6 noch nicht erwärmten Kühlwasser versorgt. Wenn keine Passagierraumheizung erforderlich ist, so ist in dieser Anordnung der Heizkreislauf 12 absperrbar, ohne dass der Kühlmitteldurchfluss anderer Kühler beeinträchtigt ist.
In 3 ist der Abgasrückführungskühler 13 direkt nach der Hauptkühlmittelpumpe 1 und der Motorölkühler 15 im Heizkreislauf 12 nach dem Wärmetauscher für den Passagierraum 14 angeordnet. Bei Durchströmung des Luft-Flüssigkeitskühlers ist der Abgasrückführungskühler 13 mit kaltem, von der Brennkraftmaschine 1 noch nicht erwärmten Kühlwasser versorgt, wodurch die NO_x-Werte in optimaler Weise reduzierbar sind. Die Anordnung des Motorölkühlers 15 im Heizkreislauf 12 nach dem Wärmetauscher für den Passagierraum führt zu einem besseren Heizkomfort, da das Kühlmittel im Bedarfsfall die Wärme zuerst zur Versorgung des Passagierraums und dann zur Erwärmung des Motoröls genutzt ist.
4 zeigt eine Anordnung eines Getriebeölkühlers 22 und die Anordnung eines Motorölwärmetauschers 15 parallel zum Kurbelgehäuse 8. Neben der Brennkraftmaschine 1 erzeugt ein in Kraftfahrzeugen eingesetztes, nicht gezeigtes Getriebe Verlustwärme. Um das Getriebeöl nicht zu Überhitzen, ist es über einen Getriebeölkühler 22 gekühlt. Dieser ist einerseits von dem Kühlmittel der Brennkraftmaschine 1 und andererseits von Getriebeöl durchströmt. In dem Getriebeölkühler 22 überträgt das Getriebeöl Wärme auf das Kühlmittel. Der Zulauf des Getriebeölkühlers 22 ist mit einer Rücklaufleitung des Luft-Flüssigkeitskühler 21 und der Rücklaufleitung des Heizkreislaufs 12 verbunden, die Kühlmittelrücklauföffnung des Getriebeölkühlers 22 ist mit der Saugseite der Hauptkühlmittelpumpe 1 verbunden. Der Luft-Flüssigkeitskühler 21 ist auch mit einem Niedertemperaturbereich ausführbar. Der Luft-Flüssigkeitskühler 21 weist dann zwei Rückläufe auf, einen aus dem Niedertemperaturbereich und einen aus dem Normaltemperaturbereich. In vorteilhafter Weise ist der Getriebeölkühler 22 mit dem Rücklauf aus dem Niedertemperaturbereich des Luft-Flüssigkeitskühlers 21 verbunden, wodurch die Kühlung des Getriebeöls verbessert ist. Der Rücklauf aus dem Normaltemperaturbereich ist mit der Saugseite der Hauptkühlmittelpumpe 1 verbunden.
In der Phase, in der die zweite Steuereinheit 17 bei kalter Brennkraftmaschine 1 den Kühlmittelfluss nur im kleinen Kühlkreislauf 18 zulässt, erwärmt das aus dem Heizkreislauf in den Getriebeölkühler 22 strömende Kühlmittel das Getriebeöl, der Zufluss aus dem Luft-Flüssigkeitskühler 21 ist durch die zweite Steuereinheit 17 unterbunden. Durch die Erwärmung des Getriebeöls sind die Reibungsverluste im Getriebe reduziert. Sobald die zweite Steuereinheit 17 bei Erreichen der Betriebstemperatur den Kühlmitteldurchfluss durch den Luft-Flüssigkeitskühler 21 freigibt, ist das Getriebeöl mit einem Kühlmittelgemisch aus dem Heizkreislauf 12 und dem Luft-Flüssigkeitskühler 21 gekühlt. Die Anordnung des Getriebeölkühlers ist grundsätzlich auch mit den in 1 bis 3 Heizkreisläufen darstellbar. Bei dem Getriebe kann es sich um eine mechanische oder automatische Ausführung handeln. In 4 ist der Motorölkühler parallel zum Kurbelgehäuse geschaltet. Wenn das Kurbelgehäuse aufgrund der Stellung der ersten Steuereinheit nicht durchströmt ist, so ist keine Wärmeabgabe des Motoröls an das Getriebeöl möglich, d.h. das Motoröl kann sich im wesentlichen unbeeinflusst vom Getriebeöl erwärmen.

Claims

Brennkraftmaschine (6) für ein Kraftfahrzeug, mit – einem Zylinderkopf (7) mit einem Kühlmittelzulaufanschluss (4) und einem Kühlmittelrücklaufanschluss (10), – einem Kurbelgehäuse (8) mit einem Kühlmittelzulaufanschluss (5) und einem mit dem Zylinderkopf (7) gemeinsamen Kühlmittelrücklaufanschluss (10) und/oder einem dem Kurbelgehäuse (8) zugeordneten Rücklaufanschluss, – einer Hauptkühlmittelpumpe (1), dessen Saugseite mit dem Kühlmittelrücklaufanschluss (10) verbunden ist und dessen Druckseite mit – einer ersten Steuereinheit (3) verbunden ist, die in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur Kühlmittel dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfes (4) und/oder dem Zulaufanschluss des Kurbelgehäuses (5) zuführt dadurch gekennzeichnet, dass – die Hauptkühlmittelpumpe (1) zu- und abschaltbar ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkühlmittelpumpe (1) mechanisch angetrieben und über eine Kupplung (2) abschaltbar ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkühlmittelpumpe (1) elektrisch angetrieben ist und über eine Steuervorrichtung die Drehzahl in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur steuerbar ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Steuereinheit (3) in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter wie Kühlmitteltemperatur, Kühlmitteldruck, Brennraumtemperatur, Abgastemperatur, Abgaswerte, Bauteiltemperatur, Öltemperatur, Passagierraumtemperatur oder Außentemperatur schaltet.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (7) zwischen Ein- und Auslassventil ein Stegsensor zur Erfassung der Brennraumtemperatur angeordnet ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Steuereinheit (17), die mit einer Kühlmittelrücklaufleitung der Brennkraftmaschine (6) verbunden ist, temperaturabhängig das Kühlmittel entweder in einem großen Kreislauf (20) über einen Luft-Flüssigkeitskühler (21) oder in einem kleinen Kreislauf (18) unter Umgehung des Luft-Flüssigkeitskühlers (21) zum Ansaugkanal der Hauptkühlmittelpumpe (1) zurückleitet, eine Heizkreisleitung (12), durch die ein aus einer Kühlmittelrücklaufleitung der Brennkraftmaschine (6) abgezweigter Teilstrom unter Umgehung der zweiten Steuereinheit (17) zur Hauptkühlmittelpumpe (1) zurückfließt und eine elektrische Zusatzkühlmittelpumpe (16), die in der Heizkreisleitung (12) angeordnet ist, vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Steuereinheit (17) und der Hauptkühlmittelpumpe (1) ein Differenzdruckventil (19) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizkreisleitung (12) ein Wärmetauscher für Abgasrückführung (13), Passagierheizung (14) und/oder Motoröl (15) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher für den Passagierraum (14) in der Heizkreisleitung (12) angeordnet ist und die Wärmetauscher für die Abgasrückführung (13) und das Motoröl (15) in einer Kühlmittelleitung, die nach der Hauptkühlmittelpumpe (1) und vor dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs (4) abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine (6) austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet sind.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher für den Passagierraum (14) und für das Motoröl (15) in der Heizkreisleitung (12) angeordnet sind und der Wärmetauscher für die Abgasrückführung (13) in einer Kühlmittelleitung, die nach der Hauptkühlmittelpumpe (1) und vor dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs (3) abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine (6) austretende Rückflaufleitung mündet, angeordnet ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher für den Passagierraum (14) in der Heizkreisleitung (12) angeordnet ist, der Wärmetauscher für die Abgasrückführung (13) in einer Kühlmittelleitung, die nach der Hauptkühlmittelpumpe (1) und vor dem Zulaufanschluss des Zylinderkopfs (4) abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine (6) austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet ist und der Wärmetauscher für das Motoröl (15) in einer Kühlmittelleitung, die nach der ersten Steuereinheit (3) und vor dem Zulaufanschluss des Kurbelgehäuses (5) abzweigt und in eine aus der Brennkraftmaschine (6) austretende Rücklaufleitung mündet, angeordnet ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Getriebeölkühler (22) vorgesehen ist, dessen Zulauf mit einer Rücklaufleitung des Luft-Flüssigkeitskühler (21) und mit einer Rücklaufleitung des Heizkreislaufs (12) verbunden ist und dessen Ablauf mit der Saugseite der Hauptkühlmittelpumpe (1) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Brennkraftmaschine (6) mit einem Kühlmittel durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Hauptkühlmittelpumpe (1) abgeschaltet wird, sofern die Brennkraftmaschine keine Kühlung erfordert und – die Hauptkühlmittelpumpe (1) zugeschaltet und Kühlmittel in dem Zylinderkopf (7) und/oder dem Kurbelgehäuse (8) umgewälzt wird, sofern Kühlung erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss durch den Betrieb der elektrischen Zusatzkühlmittelpumpe (16) im Heizkreislauf (12) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptkühlmittelpumpe (1) abgeschaltet und das Kühlmittel durch die elektrische Zusatzkühlmittelpumpe (16) umgewälzt wird.