[0001] Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges
mit einem Kühler und einem Thermostatventil, mit dem die Temperatur des Kühlmittels
in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und einem Kühlerbetrieb regelbar ist,
wobei das Thermostatventil ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur
elektrisch beheizbar ist.
[0002] Dabei regelt das Thermostatventil die Strömung des Kühlmittels zwischen dem Verbrennungsmotor
und dem Kühler derart, daß während des Warmlaufbetriebs das vom Verbrennungsmotor
kommende Kühlmittel im wesentlichen unter Umgehen des Kühlers durch einen Kurzschluß
hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt, daß während des Mischbetriebs das vom
Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel teilweise durch den Kühler hindurch und teilweise
durch den Kurzschluß hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt und daß während des
Kühlerbetriebs das vom Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen durch
den Kühler hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt. Die elektrische Beheizung
des Dehnstoffelements dient zum Vergrößern des Öffnungsquerschnittes zum Kühler hin
gegenüber einem durch die Temperatur des Kühlmittels im Bereich des Thermostatventils
bedingten Öffnungsquerschnitt.
[0003] Eine Kühlanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs ist beispielsweise aus der
DE 30 18 682 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanlage ist in einem Dehnstoffelement
eines Thermostatventils ein elektrischer Heizwiderstand angeordnet, dem elektrische
Energie durch einen stationär gehaltenen Arbeitskolben hindurch zuführbar ist. Die
Zufuhr der elektrischen Energie erfolgt über eine Regeleinrichtung, um die vom Thermostatventil
eingeregelte Kühlmitteltemperatur besser als bei einem normalen Thermostatventil konstant
halten zu können. Hierzu wird die Ist-Kühlmitteltemperatur gemessen und mit einem
vorgegebenen oberen und mit einem vorgegebenen unteren Temperaturwert verglichen.
Wird der obere Temperaturwert erreicht, so wird der Heizwiderstand mit elektrischer
Energie versorgt, so daß das Thermostatventil weiter öffnet, um eine erhöhte Kühlleistung
umd damit eine Absenkung der Ist-Kühlmitteltemperatur zu erreichen. Sinkt die Ist-Kühlmitteltemperatur
danach unter den unteren Temperaturwert, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie
zu dem Heizwiderstand unterbrochen, so daß das Dehnstoffelement vom kälteren Kühlmittel
abgekühlt wird. Dadurch wird der Ventilquerschnitt wieder verringert, so daß die Ist-Kühlmitteltemperatur
wieder ansteigt. Diese Regelspiele werden ständig wiederholt, um eine Kühlmitteltemperatur
im Bereich von beispielsweise 95°C möglichst konstant einzuhalten.
[0004] Aus der DE 37 05 232 A1 ist eine Temperaturregeleinrichtung bekannt, bei der anstelle
eines üblichen Thermostatventils mit einem Dehnstoffelement ein mittels eines Stellmotors
regelbares Ventil vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung
wird der Stellmotor zur Verstellung des Ventils in Abhängigkeit von einem Sensor gesteuert,
der die Kühlmitteltemperatur in einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Leitung
mißt. Der Sensor ist darüber hinaus mit einer Heizeinrichtung versehen. Die Heizeinrichtung
ist in Abhängigkeit von Kennfeldgrößen des Verbrennungsmotors ein- und ausschaltbar.
Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung kann demnach durch Beheizen des Sensors
eine höhere als die reale Kühlmitteltemperatur vorgetäuscht werden, um eine verstärkte
Kühlung des Kühlmittels zu erreichen. Eine derartige Temperaturregeleinrichtung ist
konstruktiv besonders aufwendig und damit kostenintensiv.
[0005] In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 43 24 178 ist ferner
eine Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges eingangs genannter
Art beschrieben, bei der das Dehnstoffelement derart ausgelegt ist, daß sich die Kühlmitteltemperatur
ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im Warmlaufbetrieb und/oder im Mischbetrieb
auf eine obere Grenztemperatur einregelt. Bei dieser Kühlanlage ist eine Steuereinheit
vorgesehen, die abhängig von erfaßten Betriebs- und/oder Umweltgrößen des Verbrennungsmotors
die Beheizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Betriebsweise der
Kühlanlage vom Warmlaufbetrieb oder vom Mischbetrieb der oberen Arbeitsgrenztemperatur
hin zum Mischbetrieb oder Kühlbetrieb einer gegenüber der oberen Arbeitsgrenztemperatur
niedrigeren Kühlmitteltemperatur zu verlagern. Da bei dieser Kühlanlage das Dehnstoffelement
des Thermostatventils in Abhängigkeit von erfaßten Betriebs- und/oder Umweltgrößen
des Verbrennungsmotors erfolgt, ist zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes
eine elektronische Steuereinheit erforderlich, in der die erfaßten Betriebs- und/oder
Umweltgrößen des Verbrennungsmotors in geeigneter Weise verarbeitet und zur Steuerung
der Beheizung des Dehnstoffelementes herangezogen werden.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanlage der eingangs genannten
Art möglichst einfach so weiterzubilden, daß damit der Betrieb des Verbrennungsmotors
bezüglich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgaswerte optimiert werden kann, ohne
daß im Falle eines erhöhten Leistungsbedarfs die Leistung des Verbrennungsmotors verringert
ist.
[0007] Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichenteil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß sich
durch Auslegung des Dehnstoffelementes die Kühlmitteltemperatur ohne Beheizung des
Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur einregelt
und daß ein Temperaturschalter vorgesehen ist, der abhängig von der am oder in Nähe
des Kühlerausgangs erfaßten Kühlmitteltemperatur die Beheizung des Dehnstoffelementes
bei Bedarf freigibt, um die Betriebsweise der Kühlanlage zum Kühlerbetrieb hin zu
verlagern.
[0008] Die obere Arbeitsgrenztemperatur ist vorzugsweise gleich der verbrauchsgünstigsten
Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors und ist geringfügig kleiner als die maximal
zulässige Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors. Vorzugsweise liegt die obere
Arbeitsgrenztemperatur über 100°C, insbesondere bei ca. 105°C. Die maximal zulässige
Betriebstemperatur ist die höchstmögliche Temperatur, mit der der Verbrennungsmotor
im Normalbetrieb über längere Zeit störungsfrei betrieben werden kann. Dadurch wird
auch bei Ausfall der elektrischen Beheizung des Dehnstoffelementes eine Beschädigung
des Verbrennungsmotors verhindert. Üblicherweise liegt die maximal zulässige Betriebstemperatur
zwischen 105°C und 120°C.
[0009] Wird das Dehnstoffelement nicht elektrisch beheizt, stellt sich ein Öffnungsquerschnitt
zum Kühler hin ausschließlich in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors
ein. Dieser Öffnungsquerschnitt bewirkt ein Einregeln der Kühlmitteltemperatur auf
die definierte obere Arbeitsgrenztemperatur. Dabei wird das Dehnstoffelement, z. B.
durch Auswahl eines entsprechenden temperaturabhängigigen Materials und einer geeigneten
konstruktiven Ausgestaltung, so ausgelegt, daß bei der definierten oberen Arbeitsgrenztemperatur
der Öffnungsquerschnitt des Kühlers noch nicht maximal ist, d. h. kein reiner Kühlerbetrieb
erreicht wird. So ist durch zusätzliches Beheizen des Dehnstoffelements eine weitere
Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes und damit eine Verlagerung in Richtung zum
Kühlerbetrieb hin möglich.
[0010] Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß der Öffnungsquerschnitt zum Kühler hin und
der Öffnungsquerschnitt zu dem den Kühler umgehenden Kurzschluß hin gegensinnig verändert
werden.
[0011] Durch die erfindungsgemäße Kühlanlage wird im Normalbetrieb, d. h. nicht bei erhöhter
Leistungsanforderung, wie z. B. im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine oder bei
Bergfahrt des von der Brennkraftmaschine angetriebenen Kraftfahrzeuges, eine möglichst
hohe Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors erreicht. Dabei ist beispielsweise
aufgrund von geringerer Reibung die Leistungsaufnahme des Verbrennungsmotors geringer,
wodurch sich der Kraftstoffverbrauch senken und die Abgaszusammensetzung verbessern
läßt. Um jedoch dann, wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch erhöhte
Leistungsanforderung ein niedrigeres Kühlmitteltemperaturniveau erfordert, schnell
auf dieses Kühlmitteltemperaturniveau umschalten zu können, ist erfindungsgemäß ein
Temperaturschalter vorgesehen, der abhängig von der am oder in Nähe des Kühlerausgangs
erfaßten Kühlmitteltemperatur elektrische Energie dem beheizbaren Dehnstoffelement
in dem Sinne zuführt, daß eine erhöhte Kühlleistung durch weiteres öffnen des Thermostatventils
erhalten wird und damit eine verringerte Kühlmitteltemperatur schnell erreicht wird.
Zu hohe Kühlmittel bzw. Brennkraftmaschinen-Temperaturen bei erhöhter Leistungsanforderung
würden zu einem verringerten Füllungsgrad und damit zu einer verringerten Leistung
der Brennkraftmaschine führen.
[0012] Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlanlage gegenüber der in der noch nicht veröffentlichten
deutschen Patentanmeldung P 43 24 178 beschriebenen Kühlanlage besteht darin, daß
in Abhängigkeit von unterschiedlichen Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine
verschiedene Kühlmitteltemperaturniveaus mit Hilfe eines einfachen Temperaturschalters
unter Verzicht auf ein technisch aufwendiges und kostspieliges elektronisches Steuergerät
erreicht werden können. Damit bietet sich die erfindungsgemäße Kühlanlage insbesondere
für einen Verbrennungsmotor für Kraftfahrzeuge des unteren Preissegmentes an. Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlanlage besteht darin, daß auf die aufwendige
und kostenintensive Erfassung von Betriebs- und Umweltgrößen des Verbrennungsmotors
verzichtet werden kann.
[0013] Die Beheizung des Dehnstoffelementes kann beispielsweise zeitgesteuert nach einer
bestimmten vorgegebenen Zeit wieder abgeschaltet werden.
[0014] Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist jedoch ein Zweipunktschalter
als Temperaturschalter vorgesehen, dessen oberer Schaltpunkt im Bereich von 55°C bis
75°C, vorzugsweise bei 65°C liegt und dessen unterer Schaltpunkt minimal 5°C und maximal
50°C unterhalb des oberen Schaltpunktes liegt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung
wird die Beheizung des Dehnstoffelementes wieder abgeschaltet, wenn die am oder in
Nähe des Kühlerausgangs erfaßte Kühlmitteltemperatur den unteren Schaltpunkt des Zweipunktschalters
unterschreitet.
[0015] Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
[0016] Es zeigen
- Fig. 1
- eine erfindungsgemäße Kühlanlage für eine Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung
und
- Fig. 2 oben
- einen mit der erfindungsgemäßen Kühlanlage gewonnenen Verlauf der Kühlmitteltemperatur
am Ausgang des Kühlers der Brennkraftmaschine sowie
- unten
- den dazugehörigen Heizspannungsverlauf für die Beheizung des Dehnstoffelementes des
Thermostatventiles der erfindungsgemäßen Kühlanlage.
[0017] Die in Fig. 1 dargestellte Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor 1 umfaßt einen
Kühler 2. Zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Kühler 2 ist eine Kühlmittelpumpe
3 angeordnet, die eine Strömung des Kühlmittels in die mit Pfeilen dargestellte Richtung
erzeugt. Vom Kühlmittelaustritt 4 des Verbrennungsmotors 1 führt eine Vorlaufleitung
5 zum Kühlmitteleingang 6 des Kühlers 2. Vom Kühlmittelaustritt oder -ausgang 7 des
Kühlers 2 führt zum Kühlmitteleintritt 8 des Verbrennungsmotors 1 eine Rücklaufleitung
9. In der Rücklaufleitung 9 ist ein Thermostatventil 10 mit einem hier nicht dargestellten
Dehnstoffelement angeordnet. Ferner ist in der Rücklaufleitung 9 ein Temperaturschalter
in Form eines Zweipunktschalters 11 vorgesehen. Der Zweipunktschalter 11 steuert die
Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 10 in Abhängigkeit von der
am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 erfaßten Kühlmitteltemperatur indem eine elektrische
Heizspannung U an ein Heizelement des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 10
angelegt wird. Das Thermostatventil 10 ist ferner über eine Kurzschlußleitung 12 mit
der Vorlaufleitung 5 verbunden.
[0018] Die Kühlanlage arbeitet im wesentlichen in drei Betriebsweisen. In einer ersten Betriebsweise,
dem sog. Warmlaufbetrieb, insbesondere nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1,
ist das Thermostatventil 10 so eingestellt, daß die vom Verbrennungsmotor 1 kommende
Kühlmittelströmung über die Kurzschlußleitung 12 im wesentlichen vollständig zum Verbrennungsmotor
1 zurückgeführt wird. In einer zweiten Betriebsweise arbeitet die Kühlanlage im Mischbetrieb,
d. h. das vom Verbrennungsmotor 1 kommende Kühlmittel läuft teilweise durch den Kühler
2 und teilweise über die Kurzschlußleitung 12 zurück zum Verbrennungsmotor 1. In einer
dritten Betriebsweise arbeitet die Kühlanlage im Kühlerbetrieb, d. h. das vom Verbrennungsmotor
10 kommende Kühlmittel wird im wesentlichen vollständig durch den Kühler 2 hindurch
zum Verbrennungsmotor 1 zurückgeführt.
[0019] Die Betriebsweise der Kühlanlage kann durch Beheizung des Dehnstoffelementes des
Thermostatventils 10 durch Ansteuerung über eine elektrische Leitung 13, durch die
das Thermostatventil 10 mit dem Zweipunktschalter 11 elektrisch verbunden ist, in
Richtung des Kühlerbetriebs verstellt oder vollständig auf Kühlerbetrieb umgeschaltet
werden. Damit verringert sich das Temperaturniveau des Kühlmittels gegenüber dem mit
einer Betriebsweise ohne Beheizung des Dehnstoffelementes erreichten Temperaturniveau.
Wird danach die Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventiles 10 durch Ansteuerung
durch den Zweipunktschalter 11 über die elektrische Leitung 13 wieder unterbrochen,
so kühlt das jetzt kühlere Kühlmittel das Dehnstoffelement des Thermostatventils 10
ab bis es eine eingeregelte Endstellung im Mischbetrieb einnimmt, so daß die Kühlmitteltemperatur
wieder auf eine Endtemperatur angehoben wird. Die eingeregelte Endtemperatur im Mischbetrieb
wird auf die obere Arbeitsgrenztemperatur festgelegt.
[0020] Die Versorgung des Thermostatventils 10 mit elektrischer Energie wird durch den Zweipunkttemperaturschalter
11 über die elektrische Leitung 13 in Abhängigkeit von der am oder in Nähe des Kühlerausgangs
7 erfaßten Kühlmitteltemperatur gesteuert. Da die Kühlmitteltemperatur am oder in
Nähe des Kühlerausgangs 7 in sehr guter Näherung den Belastungszustand der Brennkraftmaschine
1 wiedergibt, eignet sich diese Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühlerausgangs
7 sehr gut zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils
10. Dies ist die Grundlage dafür, daß die Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes
des Thermostatventils in konstruktiv sehr einfacher und damit sehr kostengünstiger
Weise durch einen einfachen Temperaturschalter, vorzugsweise einen Zweipunkttemperaturschalter
erfolgen kann. Es ist damit nicht erforderlich, verschiedene Betriebs- und/oder Umweltgrößen
des Verbrennungsmotors 1 zu erfassen und in einem teueren elektronischen Steuergerät
zur Steuerung der Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 10 zu verarbeiten.
[0021] In Fig. 2 oben ist in einem Diagramm die Kühlmitteltemperatur T über der Zeit t bei
Vollast des Verbrennungsmotors 1 (Fig. 1) dargestellt, wie er sich mittels der erfindungsgemäßen
Kühlanlage erreichen läßt. Das Dehnstoffelement des Thermostatventils 10 (Fig. 1)
wird beispielsweise durch die Zusammensetzung des Dehnstoffes auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur
ausgelegt, die hier beispielsweise einer Kühltemperatur von ca. 105°C im eingeregelten
Mischbetrieb entspricht. Diese Kühlmitteltemperatur von ca. 105°C wird jedoch nur
im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors erreicht, bei dem es zweckmäßig ist, durch
Verminderung von Reibung den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die
Abgaszusammensetzung zu verbessern. Grundsätzlich soll die Kühlmitteltemperatur zur
Verbrauchsoptimierung immer so heiß wie möglich aber bei Leistungsanforderungen im
Vollastbereich zur Verbesserung der Zylinderfüllung so kühl wie möglich sein.
[0022] Das Dehnstoffelement des Thermostatventiles 10 ist so ausgelegt, daß bei hier ca.
105°C der mögliche Verstellweg des Thermostatventils bzw. der maximal mögliche Öffnungsquerschnitt
noch nicht eingestellt ist. So kann bei Vollast des Verbrennungsmotors das Dehnstoffelement
des Thermostatventils 10 (Fig. 1) derart beheizt werden, daß zur möglichst schnellen
Verringerung der Kühlmitteltemperatur ein maximaler Öffnungsquerschnitt zum Kühler
hin eingestellt wird und dadurch vollständig in den Kühlerbetrieb übergegangen wird.
Der Vollastbetrieb wird bei der erfindungsgemäßen Kühlanlage durch den Temperaturschalter
in Form des Zweipunktschalters 11 (Fig. 1) erfaßt. Wenn aufgrund einer starken Beanspruchung
des Verbrennungsmotors die Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühlerausgangs
7 (Fig. 1), wie in Fig. 2 oben beim Punkt A gezeigt, die kritische obere Temperaturschwelle
von 65°C und damit den oberen Schaltpunkt überschreitet, wird wie in Fig. 2 unten
dargestellt, zum Zeitpunkt t₁ die Heizspannung U zum Beheizen des Dehnstoffelementes
des Thermostatventiles 10 an das Heizelement des Dehnstoffelementes so lange angelegt,
bis die Temperatur des Kühlmittels am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 (Fig. 1) die
in Fig. 2 oben dargestellte untere Temperaturschwelle von 60°C und damit den unteren
Schaltpunkt des Temperaturschalters 11 erreicht. Dann wird, wie in Fig. 2 unten dargestellt,
zum Zeitpunkt t₂, d. h. nach einer Zeitspanne Δ t die Beheizung des Dehnstoffelementes
des Thermostatventils 10 (Fig. 1) wieder unterbrochen. Dies hat die Folge, daß die
Kühlmitteltemperatur am oder in Nähe des Kühlerausgangs 7 (Fig. 1) wieder so lange
langsam ansteigt, bis die obere Temperaturschwelle von 65°C wieder erreicht ist, und
der Zeitpunktschalter 11 (Fig. 1) mit Erreichen seines oberen Schaltpunktes die Spannung
U wieder an das Heizelement zur Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventiles
10 (Fig. 1) erneut anlegt.
[0023] Der erfindungsgemäßen Kühlanlage liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Kühlmitteltemperatur
am oder in Nähe des Ausgangs 7 des Kühlers 2 in sehr guter Annäherung ein Maß für
die Belastung des Verbrennungsmotors 1 darstellt. Diese Erkenntnis wird bei der erfindungsgemäßen
Kühlanlage dadurch genutzt, daß am oder in unmittelbarer Nähe des Ausgangs 7 des Kühlers
2 ein Temperaturschalter in Form eines Zweipunktschalters 11 vorgesehen ist, der die
belastungsabhängige Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventiles 10 im
Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors 1 steuert. Bei dieser einfachen Art der Steuerung
der Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventiles 10 kann auf die kostenintensive
Erfassung der Betriebs- und Umweltgrößen des Verbrennungsmotors 1 sowie ferner auf
ein teueres elektronisches Steuergerät verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Kühlanlage
eignet sich daher insbesondere für Kraftfahrzeuge des unteren Preissegmentes.
1. Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühler und
einem Thermostatventil, mit dem die Temperatur des Kühlmittels in einem Warmlaufbetrieb,
einem Mischbetrieb und einem Kühlerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostatventil
ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur elektrisch
beheizbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Auslegung des Dehnstoffelementes die Kühlmitteltemperatur
ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur
einregelt und daß ein Temperaturschalter (11) vorgesehen ist, der abhängig von der
am oder in Nähe des Kühlerausgangs (7) erfaßten Kühlmittelltemperatur (T) die Beheizung
des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Betriebsweise der Kühlanlage zum
Kühlerbetrieb hin zu verlagern.
2. Kühlanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschalter (11) ein Zweipunktschalter ist,
dessen oberer Schaltpunkt im Bereich von 55°C bis 75°C, vorzugsweise bei 65°C liegt
und dessen unterer Schaltpunkt minimal 5°C und maximal 50°C unterhalb des oberen Schaltpunktes
liegt.