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EP 2 375 025 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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25.02.2015 Patentblatt 2015/09 |
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Anmeldetag: 18.12.2010 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine
Coolant circuit for a combustion engine
Circuit de refroidissement pour moteur à combustion interne
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Benannte Vertragsstaaten: |
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AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
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Priorität: |
08.03.2010 DE 102010010594
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Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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12.10.2011 Patentblatt 2011/41 |
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Patentinhaber: Audi AG |
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85045 Ingolstadt (DE) |
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Erfinder: |
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- Honzen, Matthias
71640 Ludwigsburg (DE)
- Köhne, Markus
53639 Königswinter (DE)
- Boestfleisch, Volker
74172 Neckarsulm (DE)
- Henning, Hermann
74248 Ellhofen (DE)
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Entgegenhaltungen: :
EP-A1- 1 947 308 DE-A1- 10 301 797 DE-A1-102008 007 766 US-A- 5 113 807
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DE-A1- 10 244 829 DE-A1-102004 047 452 US-A- 3 444 845
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine mit getrennter Durchströmung von Zylinderkopf
und Zylinderkurbelgehäuse, und einem Abgaskühler.
[0002] Derartige Kühlkreisläufe werden im Kraftfahrzeugbau zur Wärmeabfuhr von der Brennkraftmaschine
und zur Kühlung von Betriebsstoffen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Abgas,
Frischgas oder Schmiermittel genutzt, wodurch sich der Wirkungsgrad und/oder die Abgaszusammensetzung
der Brennkraftmaschine beeinflussen lässt.
[0003] Die
DE 10 2004 052 137 A1 zeigt eine Zweikreiskühlung für eine Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse und
einem Zylinderkopf. Das Kurbelgehäuse ist in einen Kurbelgehäuse-Kühlmittelkreislauf
eingebunden, während der Zylinderkopf in einen separaten Zylinderkopf-Kühlmittelkreislauf
eingebunden ist. Beide Kühlmittelkreisläufe werden von einer gemeinsamen Kühlmittelpumpe
gespeist. Der Kurbelgehäuse-Kühlmittelkreislauf kann durch ein Stellelement verschlossen
werden, wodurch sich das Kurbelgehäuse nach einem Kaltstart schneller erwärmt. Weiterhin
ist es möglich die beiden Kühlmittelkreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus
zu betreiben.
[0004] Die
DE 103 32 947 A1 beschreibt ebenfalls eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einer Zweikreiskühlung,
bei der Zylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse über separate Kühlmittelzweige verfügen,
die über einen gemeinsamen Zulauf von einer Kühlmittelpumpe gespeist werden. Das Kühlmittel
auf dem Zylinderkopf und dem Zylinderkurbelgehäuse wird nach dem Austritt aus den
entsprechenden Bauteilen wieder zusammengeführt und zur Kühlmittelpumpe rezirkuliert.
Dabei kann das Kühlmittel wahlweise über einen Zweig mit Abgaskühler, Heizungswärmetauscher
und Ölkühler zur Kühlmittelpumpe geführt werden oder aber über einen zweiten Zweig
wahlweise zum Hauptwärmetauscher oder unter Umgehung des Hauptwärmetauschers direkt
zur Kühlmittelpumpe geleitet werden.
[0005] Nachteilig ist jedoch, dass der Abgaskühler bei dem gezeigten Kühlmittelkreislauf
nur mit solchem Kühlmittel beaufschlagt werden kann, welches bereits den gesamten
Motor, also sowohl den Zylinderkopf, als auch das Zylinderkurbelgehäuse, durchströmt
hat und dementsprechend erwärmt ist. Dadurch ergeben sich Wirkungsgradverluste bei
der Kühlung des Abgases. Zudem benötigt die Integration von zwei verschiedenen Zweigen
zur Rückführung des Kühlmittels zur Kühlmittelpumpe einen großen Bauraum.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Kühlkreislauf für eine Brennkraftmaschine
bereitzustellen, in dem ein Abgaskühler mit geringem Bauraumbedarf angeordnet und
möglichst effizient betrieben werden kann.
[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0008] Indem der Abgaskühler stromab des Zylinderkopfes und stromauf der Verbindungsstelle
in den Zylinderkopf-Zweigkreislauf eingebunden ist, wird dieser von dem im Vergleich
zum Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf kühleren Kühlmittel des Zylinderkopf-Zweigkreislaufs
durchströmt. Dadurch kann der Betriebsstoff in dem entsprechenden Wärmetauscher besser
gekühlt werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad und/oder die Abgaszusammensetzung
der Brennkraftmaschine auswirkt. Natürlich können neben den genannten Bestandteilen
des Kühlkreislaufs auch noch weitere Elemente, wie ein Heizungswärmetauscher, je nach
Bedarf integriert werden.
[0009] Ein als unterdruckbetätigtes Drehventil ausgebildetes Absperrventil ist im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf
stromab des Kurbelgehäuses angeordnet. Durch das Absperrventil kann der Kühlmittelvolumenstrom
im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf reguliert werden. So kann durch eine Absperrung des
Kurbelgehäuse-Zweigkreislaufs vorzugsweise nach dem Start der Brennkraftmaschine eine
schnellere Erwärmung derselben erzielt werden.
[0010] In einer bevorzugten Ausführung ist der Hauptwärmetauscher stromab der Verbindungsstelle
angeordnet. Der Hauptwärmetauscher hat die größte Kühlkapazität und kann mit Kühlmittel
aus dem Zylinderkopf und dem Kurbelgehäuse beaufschlagt werden.
[0011] In einer bevorzugten Ausführung ist ein Steuerventil zwischen Kühlmittelpumpe und
Hauptwärmetauscher angeordnet. Das Steuerventil reguliert den der Kühlmittelpumpe
zuzuführenden Kühlmittelvolumenstrom.
[0012] In einer bevorzugten Ausführung zweigt zwischen Hauptwasserkühler und Verbindungsstelle
eine Bypassleitung ab, die an dem Steuerventil angebunden ist. Die Bypassleitung dient
der bedarfsweisen Umgehung des Hauptwärmetauschers, indem das Kühlmittel aus dem Zylinderkopf
und dem Kurbelgehäuse stromab der Verbindungsstelle abgezweigt wird und dem Steuerventil
zugeführt wird. Das Steuerventil kann temperaturabhängig zwischen der Durchströmung
der Bypassleitung oder des Hauptwärmetauschers umschalten. Dazu ist das Steuerventil
bevorzugt als ein Kennfeldthermostat ausgebildet.
[0013] In einer bevorzugten Ausführung werden zwei oder mehr Zylinderköpfe im Zylinderkopf-Zweigkreislauf
parallel durchströmt und der Abgaskühler ist stromab der Zylinderköpfe angeordnet.
Bei Brennkraftmaschinen mit Zylinderbänken in V- oder W-Anordnung finden sich mehrere
Zylinderköpfe. Diese sind parallel in den Zylinderkopf-Zweigkreislauf eingebunden,
wobei das Kühlmittel aus den Zylinderköpfen vor der Zuführung in den Abgaskühler wieder
gesammelt wird.
[0014] In einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel ist der Wärmetauscher für einen Betriebsstoff
als Ladeluftkühler ausgebildet. Ein Ladeluftkühler dient der Abkühlung von durch einen
Lader verdichteter Frischluft, wodurch sich Wirkungsgradgewinne erzielen lassen.
[0015] Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscher für einen Betriebsstoff als Abgaskühler ausgebildet.
In einem Abgaskühler wird zumindest ein Teil des aus der Brennkraftmaschine austretenden
Abgases gekühlt, um es als Inertgas dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine
zuzuführen (Abgasrückführung). Die daraus resultierende Verringerung der Verbrennungstemperatur
reduziert den Anteil an Stickoxiden im Abgas.
[0016] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
[0017] Darin zeigt die
Figur eine schematische Ansicht des Kühlkreislaufs einer Brennkraftmaschine.
[0018] Gemäß der
Figur hat eine Brennkraftmaschine 2 ein Kurbelgehäuse 4, welches Zylinder in einzelnen
Brennräumen beinhaltet, und einen Zylinderkopf 3, der die für den Gaswechsel der Brennräume
benötigten Vorrichtungen enthält. Die Brennkraftmaschine 2 setzt bei ihrem Betrieb
chemische Energie in mechanische und thermische Energie um, weshalb diese in einen
Kühlkreislauf 1 zur Wärmeabfuhr eingebunden ist. Bei der dargestellten Zweikreiskühlung
fördert die Kühlmittelpumpe 5 Kühlmittel zur Brennkraftmaschine 2, wobei der Kühlmittelstrom
sich an einer Verzweigungsstelle A in zwei parallele Zweigkreisläufe 8 und 9 aufteilt.
Der Zylinderkopf 3 ist in einen Zylinderkopf-Zweigkreislauf 8 und das Kurbelgehäuse
4 in einen Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf 9 eingebunden. Durch die in den Brennräumen
des Kurbelgehäuses 4 hauptsächlich stattfindende Umsetzung der Energie, erwärmt sich
das Kurbelgehäuse 4 beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 schneller und stärker als
der Zylinderkopf 3. Die Zweigkreisläufe 8 und 9 werden stromab des Zylinderkopfes
3 beziehungsweise des Kurbelgehäuses 4 an einer Verbindungsstelle B wieder zusammengeführt.
Im Zylinderkopf-Zweigkreislauf 8 ist zwischen Zylinderkopf 3 und Verbindungsstelle
B ein Wärmetauscher 7 für ein Betriebsstoff der Brennkraftmaschine 2 angeordnet. Betriebsstoffe
sind in diesem Zusammenhang Gase oder Flüssigkeiten, die für die Funktion der Brennkraftmaschine
2 benötigt werden, wie Abgas. Im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf 9 zwischen Kurbelgehäuse
4 und Verbindungsstelle B ist ein Absperrventil 10 angeordnet, wodurch der Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf
9 zum Zwecke einer schnelleren Erwärmung der Brennkraftmaschine 2, insbesondere des
Kurbelgehäuses 4, bedarfsweise abgesperrt werden kann. Das Absperrventil 10 ist als
ein unterdruckbetätigtes Drehventil auszuführen. Von der Verbindungsstelle B gelangt
das Kühlmittel zu einem Hauptwärmetauscher 6 und von diesem zu einem Steuerventil
11. Der Ausgang des Steuerventils 11 ist mit der Ansaugseite 5 der Kühlmittelpumpe
5 verbunden. Zwischen der Verbindungsstelle B und dem Hauptwärmetauscher 6 zweigt
an einem Bypassabzweig C eine Bypassleitung 12 ab, durch die Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine
2 unter Umgehung des Hauptwasserkühlers 6 zum Steuerventil 11 und somit zur Kühlmittelpumpe
5 gelangen kann. Das Steuerventil 11 ist zu diesem Zweck vorzugsweise als ein Kennfeldthermostat
oder ein Drehschieber mit zwei Zuläufen und einem Ausgang auszuführen. Natürlich beschränkt
sich der erfindungsgemäße Kühlkreislauf 1 nicht auf die dargestellten Elemente. Vielmehr
können zusätzliche Heizungswärmetauscher, Ölkühler, Wasserkühler, etc. in den Kühlkreislauf
1 oder einen Teilkreislauf davon integriert werden.
[0019] Liste der Bezugszeichen:
- A
- Verzweigungsstelle
- B
- Verbindungsstelle
- C
- Bypassabzweig
- 1
- Kühlkreislauf
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Zylinderkopf
- 4
- Kurbelgehäuse
- 5
- Kühlmittelpumpe
- 6
- Hauptwärmetauscher
- 7
- Wärmetauscher für ein Betriebsstoff
- 8
- Zylinderkopf-Zweigkreislauf
- 9
- Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf
- 10
- Absperrventil
- 11
- Steuerventil
1. Kühlkreislauf (1) für eine Brennkraftmaschine (2), aufweisend eine Brennkraftmaschine
(2) mit mindestens einem Zylinderkopf (3) und einem Kurbelgehäuse (4), eine Kühlmittelpumpe
(5), einen Hauptwärmetauscher (6) und einen Abgaskühler (7), wobei sich der Kühlkreislauf
(1) stromab der Kühlmittelpumpe (5) zwischen einer Verzweigungsstelle (A) und einer
Verbindungsstelle (B) aufteilt, so dass der mindestens eine Zylinderkopf (3) in einem
Zylinderkopf-Zweigkreislauf (8) und das Kurbelgehäuse (4) in einem, zu dem Zylinderkopf-Zweigkreislauf
(8) parallel verlaufenden, Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf (9) eingebunden ist, wobei
der Abgaskühler (7) im Zylinderkopf-Zweigkreislauf (8) stromab des mindestens einen
Zylinderkopfes (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein als unterdruckbetätigtes Drehventil ausgebildetes Absperrventil (10) im Kurbelgehäuse-Zweigkreislauf
(9) zwischen Kurbelgehäuse (4) und Verbindungsstelle (B) angeordnet ist.
2. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (6) stromab der Verbindungsstelle (B) angeordnet ist.
3. Kühlkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerventil (11) zwischen Kühlmittelpumpe (5) und Hauptwärmetauscher (6) angeordnet
ist.
4. Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hauptwasserkühler (6) und Verbindungsstelle (B) eine Bypassleitung (12)
abzweigt, die an dem Steuerventil (11) angebunden ist.
5. Kühlkreislauf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (11) als Kennfeldthermostat ausgebildet ist.
6. Kühlkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Zylinderköpfe (3) im Zylinderkopf-Zweigkreislauf (8) parallel durchströmt
werden und der Abgaskühler (7) stromab der Zylinderköpfe (3) angeordnet ist.
1. Cooling circuit (1) for an internal combustion engine (2), comprising an internal
combustion engine (2) having at least one cylinder head (3) and one crankcase (4),
a coolant pump (5), a primary heat exchanger (6) and an exhaust gas cooler (7), the
cooling circuit (1) downstream of the coolant pump (5) being divided between a branch
site (A) and a connection site (B) so that the at least one cylinder head (3) is integrated
in a cylinder head branch circuit (8) and the crankcase (4) is integrated in a crankcase
branch circuit (9) which extends in parallel with the cylinder head branch circuit
(8), the exhaust gas cooler (7) being arranged in the cylinder head branch circuit
(8) downstream of the at least one cylinder head (3), characterised in that a shutoff valve (10) formed as a vacuum-actuated turning valve is arranged in the
crankcase branch circuit (9) between the crankcase (4) and the connection site (B).
2. Cooling circuit according to claim 1, characterised in that the primary heat exchanger (6) is arranged downstream of the connection site (B).
3. Cooling circuit according to either claim 1 or claim 2, characterised in that a control valve (11) is arranged between the coolant pump (5) and the primary heat
exchanger (6).
4. Cooling circuit according to any of claims 1 to 3, characterised in that a bypass line (12), which is coupled to the control valve (11), branches off between
the main water cooler (6) and the connection site (B).
5. Cooling circuit according to either claim 3 or claim 4, characterised in that the control valve (11) is designed as a map-controlled thermostat.
6. Cooling circuit according to any of claims 1 to 5, characterised in that flow takes place in parallel through two or more cylinder heads (3) in the cylinder
head branch circuit (8), and the exhaust gas cooler (7) is arranged downstream of
the cylinder heads (3).
1. Circuit de refroidissement (1) pour moteur à combustion interne (2), présentant un
moteur à combustion interne (2) avec au moins une tête de cylindre (3) et un carter
de vilebrequin (4), une pompe à réfrigérant (5), un échangeur de chaleur principal
(6) et un refroidisseur de gaz brûlés (7), dans lequel le circuit de refroidissement
(1) se partage, en aval de la pompe à réfrigérant (5), entre un point de dérivation
(A) et un point de raccordement (B) de sorte que la au moins une tête de cylindre
(3) soit intégrée à un circuit de dérivation de tête de cylindre (8) et que le carter
de vilebrequin (4) soit intégré à un circuit de dérivation de carter de vilebrequin
(9) s'étendant parallèlement au circuit de dérivation de tête de cylindre (8), dans
lequel le refroidisseur de gaz brûlés (7) est aménagé dans le circuit de dérivation
de tête de cylindre (8) en aval de la au moins une tête de cylindre (3), caractérisé en ce qu'une soupape d'arrêt (10) conformée en soupape rotative mue par dépression est aménagée
dans le circuit de dérivation de carter de vilebrequin (9) entre la carter de vilebrequin
(4) et le point de raccordement (B).
2. Circuit de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur principal (6) est aménagé en aval du point de raccordement
(B).
3. Circuit de refroidissement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'une soupape de commande (11) est aménagée entre la pompe à réfrigérant (5) et l'échangeur
de chaleur principal (6).
4. Circuit de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'entre l'échangeur de chaleur principal (6) et le point de raccordement (B) dérive
une conduite de dérivation (12) qui est raccordée à la soupape de commande (11).
5. Circuit de refroidissement selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que la soupape de commande (11) se présente sous la forme d'un thermostat cartographique.
6. Circuit de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux têtes de cylindre (3) ou plus sont parcourus en parallèle dans le circuit de
dérivation de tête de cylindre (8) et le refroidisseur de gaz brûlés (7) est aménagé
en aval des têtes de cylindre (3).
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