Rheologische Steuerung einer Motorkühlung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraftmaschine mit einem Kühlmittel zur Kühlung der Kraftmaschine.

[0002] Derartige Kraftmaschinen können beispielsweise Brennkraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren wie z. B. Dieselmotoren oder Ottomotoren für Kraftfahrzeuge sein, bei denen das Kühlmittel in Kühlkanälen eingebracht ist, so daß der Verbrennungsmotor einen Kühlmittelmantel aufweist.

[0003] In einem Verbrennungsmotor ist ein Kraftstoffverbrauch während eines NEDC-Tests im kalten Zustand (Starttemperatur ca. 24 °C) ca. 10 bis 15 % höher als bei demselben Test mit einer Motoröltemperatur bei einem Start von ca. 90 °C, dem so genannten NEDC-Heißtest. Dies liegt unter anderem daran, daß das Schmieröl bei niedrigeren Temperaturen eine höhere Zähigkeit aufweist, und das der Kraftstoff an Zylinderwänden kondensiert und in das Motoröl eingetragen wird. Zudem werden Maßnahmen ergriffen, um den Katalysator schneller aufzuheizen, dies sind z. B. eine Spätverstellung der Zündung, eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl sowie eine Anfettung mit Sekundärlufteinblasung. Zudem entsteht der Großteil der emittierten Abgasemissionen während der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors, wenn der Katalysator noch nicht die erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat. Gleichzeitig wird ein Großteil der zugeführten Energie ungenutzt als Abgasenthalpie abgeführt. Dies sind insgesamt ca. 30 bis 40 % der Energie des zugeführten Kraftstoffes.

[0004] Bekannt ist, die Aufwärmphase des Motors zu verbessern, indem Abgaswärmetauscher eingesetzt werden, die in komplizierter Weise das Motoröl aufheizen. Auf der anderen Seite ist es ein Problem, den Motor, insbesondere das Motoröl bei dieser Aufheizung vor Überhitzung zu schützen. Daher werden zusätzliche Hochleistungsölkühler verwendet.

[0005] Die DE 27 53 716 betrifft eine warmluftabgebende Heizvorrichtung für durch eine Brennkraftmaschine angetriebene Kraftfahrzeuge, mit einem von atmosphärischer Luft beaufschlagbaren Wärmetauscher für die Wärmeabgabe eines in einen Leistungskreislauf strömenden Wärmeträgers und einem ebenfalls in den Leitungskreislauf eingeschalteten, Abgaswärme der Brennkraftmaschine aufnehmenden und an den Wärmeträger abgebenden Wärmetauscher. Der Leitungskreislauf für den Wärmeträger der Heizvorrichtung steht zumindest mit dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine in wärmeleitender Verbindung. Hierbei wird eine Wärmeabgabe an das Schmieröl in einem Trockensumpfbehälter dadurch erreicht, daß durch einen in einer Vorlaufleitung strömenden Wärmeträger Wärme an das in dem Trockensumpfbehälter befindliche Schmieröl abgegeben wird.

[0006] Die GB 2 381 576 A offenbart eine Abgaswärme-Rückgewinnungsvorrichtung mit einer Wärmetauscherleitung und einer Bypaßleitung. Im Bereich der Wärmetauscherleitung ist ein Wärmetauscher angeordnet. Zumindest eine Ventileinrichtung ist in der Wärmetauscherleitung und/oder der Bypaßleitung vorgesehen, um einen Abgasmengenstrom in der Wärmetauscherleitung zu beeinflussen. Zumindest die Wärmetauscherleitung weist in einer Abgasströmrichtung in Einbaulage ein Gefälle auf.

[0007] Die EP 0 885 758 B1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, bei dem der Abgasstrom in eine Hauptleitung und in eine Bypaßleitung aufteilbar ist. Der Wärmetauscher ist in der Bypaßleitung angeordnet. In einem Warmlaufbetrieb ist in der Hauptleitung ein Rückstau erzeugbar, der einen Gegendruck am Abgasauslaß der Brennkraftmaschine verursacht. Der Warmlaufbetrieb wird in zwei Phasen aufgeteilt, wobei in der ersten Phase ein höherer Gegendruck als in der zweiten Phase erzeugt wird. Ein erstes Ventil ist in der Hauptleitung zwischen den Bypaßleitungsanschlüssen angeordnet, wobei ein zweites Ventil in der Bypaßleitung stromabwärts vom Wärmetauscher angeordnet ist. In der ersten Phase sind beide Ventile geschlossen, wobei in der zweiten Phase das erste Ventil geschlossen, aber das zweite Ventil geöffnet ist.

[0008] Die DE 199 08 088 A1 bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Dieselbrennkraftmaschine, für ein Fahrzeug, mit einer Fahrgastraumheizvorrichtung, einer Abgasleitung, einer Kühlmittelleitung, die einen Kühlkreislauf mit einer ersten Pumpe bildet, an dem die Brennkraftmaschine angeschlossen ist, und einen Abgaswärmetauscher zum Übertragen von Abgaswärme an einen Heizungswärmetauscher. Der Abgaswärmetauscher ist zwischen der Abgasleitung und einer Zirkulationsmittelleitung wirksam, die einen Zirkulationskreislauf bildet, an dem der Heizungswärmetauscher mittelbar oder unmittelbar angeschlossen ist.

[0009] Die DE 199 08 088 A1 bezieht sich aber auch auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere Dieselbrennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine an einen von der Kühlmittelleitung abzweigenden ersten Bypaß angeschlossen ist, in dem ein erstes Thermostatventil angeordnet ist, das den ersten Bypaß bis zum Erreichen einer mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt und oberhalb dieser Kühlmitteltemperatur öffnet. In einem sich parallel zum ersten Bypaß erstreckenden zweiten Bypaß ist ein zweites Thermostatventil angeordnet, das den zweiten Bypaß oberhalb der mittleren Kühltemperatur weitgehend sperrt.

[0010] Die DE 100 47 810 A1 betritt einen Heizungskreislauf mit einer Zusatzheizvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine, die Bestandteil eines gesonderten Kurzschlußkreislaufs ist, der mittels einer Umschaltvorrichtung in den Heizungskreislauf schaltbar ist. Als Zusatzheizvorrichtung wird eine Abgasanlage des Motors des Kraftfahrzeugs benutzt, von der die Abgaswärme in den Heizungskreislauf transferiert wird. Das Abgaswärmeangebot ist bei einem den Wärmebedarf der Innenraumheizung unterschreitenden Abgaswärmeangebot durch motorische Maßnahmen anhebbar. Die DE 100 47 810 A1 bezieht sich aber auch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Heizungskreislaufs mit einer Zusatzheizvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine, ausgebildet als vom Motorabgas und Kühlmittel durchströmter Abgaswärmetauscher. Zur Steigerung der Heizleistung der Zusatzheizvorrichtung können die Motorbetriebsparameter beeinflußt werden.

[0011] Die EP 1 094 214 A2 bezieht sich auf eine Wärmerückgewinnungsanlage mit einer Zirkulationsleitung, in der ein Wärmeübertragungsmedium durch eine Motorkühleinheit zirkuliert, und einen Abgaswärmetauscher zur Nutzung der Auspuffgase eines Motors und eine Leitung, die eine Auslaßseite der Zirkulationsleitung mit einem Ausgang des Wärmetauschers verbindet. Der Abgaswärmetauscher ist quer durch die Zirkulationsleitung an einer Seite stromaufwärts der Motorkühleinheit angeordnet. Das Wärmeübertragungsmedium, das in den Abgaswärmetauscher eingeführt wird, wird auf eine niedrigere Temperatur geregelt, die ausreichend ist, um eine Temperatur des Wasserdampfes abzusenken, der in dem Abgasstrom enthalten ist, von dem Wärme zum Wärmeübertragungsmedium übertragen wird, um dessen Taupunkt zu senken.

[0012] Bekannt ist aber auch eine intelligente Kühlung der Verbrennungsmotoren mittels zusätzlicher Ventile oder elektrischer Wasserpumpen zu erreichen, wobei als Kühlmittel Wasser verwendet wird. Dies hat sich in der Praxis zwar bewährt, jedoch wurde bei diesen Maßnahmen die hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Wasser nicht berücksichtigt. Dies ist für einen Volllastbetrieb notwendig, verringert aber den Wirkungsgrad während der Warmlaufphase. Ein weiterer Nachtteil von Wasser als Kühlmittel ist darin zu sehen, daß die maximale Betriebtemperatur um den Bereich von ca. 100°C begrenzt ist, um ein Aufkochen des Wassers bzw. eine lokale Überhitzung zu vermeiden.

[0013] Die JP 2002 323071 (=EP 1 223 362 A2) betrifft eine Ventilatorantriebsanordnung mit einer elektronisch gesteuerten magnetorheologischen Flüssigkeit. Die Anordnung ist mit einem Ventilator verbunden, um einen Kühler zu kühlen. Die magnetorheologische Flüssigkeit weist in einem aktivierten Zustand eine halbfeste Konsistenz auf, so daß ein Antriebsmittel von der Flüssigkeit mitgenommen wird.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kraftmaschine der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln dahin gehend zu verbessern, daß das Motoröl in der Kaltstartphase bzw. in der Warmlaufphase schneller auf Betriebstemperatur geführt wird, so daß sowohl ein verringerter Kraftstoffverbrauch als auch verringerte Schadstoffemissionen erreicht werden, wobei eine Überhitzung des Motoröls vermieden werden soll.

[0015] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kühlmittel eine rheologische Flüssigkeit ist.

[0016] Eine rheologische Flüssigkeit im Sinne der Erfindung ist eine z. B. auf Silikonöl basierende Flüssigkeit, die elektrisch und/oder magnetisch ansprechende Bestandteile beinhaltet. Mittels einer geeigneten Aktivierungsvorrichtung, welche z.B. einen elektrischen Strom und/oder ein magnetisches Feld erzeugt, wird die rheologische Flüssigkeit in einen aktiven oder passiven Zustand versetzt. Im passiven Zustand ist rheologische Flüssigkeit flüssig. In dem aktiven Zustand dagegen ändert die rheologische Flüssigkeit ihre Viskosität und ist im wesentlichen quasi halbfest.

[0017] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die rheologische Flüssigkeit in ihrem passiven Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in ihrem aktiven Zustand. Die Wärmeleitfähigkeit steigt hierbei kontinuierlich an.

[0018] Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Kühlmittel eine rheologische Flüssigkeit mit einem Wärmeleitwert von ca. einem drittel, bezogen auf den Wärmeleitwert von Wasser in ihrem passiven Zustand und einen Wärmeleitwert von etwas mehr als dem dreifachen Wärmeleitwert von Wasser aufweist, wenn die rheologische Flüssigkeit aktiviert ist. Bevorzugter Weise weist die rheologische Flüssigkeit einen Wärmeleitwertbereich von ca. 0,2 bis 1,88 W/mK auf, wobei der Wärmeleitwert von Wasser bei einem Betrag von 0,6 W/mK liegt.

[0019] Die geringe Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere in einer Warmlaufphase eines Verbrennungsmotors günstig, da die entstehende Wärme vorteilhaft nicht so schnell abgeführt wird, wodurch insbesondere das Motoröl schnell auf Betriebstemperatur geführt wird. Die rheologische Flüssigkeit wirkt in ihrem passiven Zustand quasi als Wärmeisolator.

[0020] Nach der Warmlaufphase dagegen, insbesondere wenn der Verbrennungsmotor in seinem Vollastbereich betrieben wird, ist es zweckmäßig, wenn die entstehende Wärme schnell abgeführt wird. Dies wird aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der rheologischen Flüssigkeit in ihrem aktivierten Zustand erreicht. Um die rheologische Flüssigkeit zu aktivieren, ist die Aktivierungsvorrichtung an einer geeigneten Stelle angeordnet. Eine geeignete Stelle kann z. B. eine Zylinderwand des Verbrennungsmotors und/oder Zylinderkopf sein, wobei das Kühlmittel selbstverständlich in Kühlmittelkanälen aufgenommen ist, was an sich bekannt ist. Die rheologische Flüssigkeit reagiert sehr schnell auf die kontinuierliche Aktivierung mittels der Aktivierungsvorrichtung, wodurch auch ein kontinuierlicher Anstieg der Wärmeleitfähigkeit erreicht wird. Die rheologische Flüssigkeit transportiert die Wärme von dem Entstehungsort, beispielsweise der Zylinderinnenwand zur Zylinderaußenwand. Um diesen Wärmeübergang zu steuern, können Betriebsparameter des Verbrennungsmotors bzw. der Kraftmaschine wie beispielsweise Motorgeschwindigkeit, -last und/oder -temperatur benutzt werden, wobei mittels geeigneter Steueralgorithmen Steuersignale für die Aktivierungsvorrichtung bereitgestellt werden können.

[0021] Vorteilhafter Weise wird mittels der erfindungsgemäßen rheologischen Flüssigkeit der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors erheblich verringert, wobei Reibungsverluste verringert sind, da das Motoröl schneller auf Betriebstemperatur geführt wird, wodurch das Motoröl die erforderliche Schmiereigenschaft schneller zu Verfügung stellt. Zudem können Maßnahmen den Katalysator schneller aufzuheizen, was zu einem gesteigerten Kraftstoffverbrauch führt, verringert werden, wobei der Katalysator mittels der Erfindung schneller auf Betriebstemperatur geführt wird. Dies bewirkt wiederum eine verbesserte Konvertierung der Schadstoffe, z. B. NOx. Weiter wird eine Kraftstoffkondensation an den Zylinderwänden verringert.

[0022] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors beschränkt. Die rheologische Flüssigkeit kann generell als Kühlmittel verwendet, wenn die Wärme von ihrem Entstehungsort wegtransportiert werden soll. Weiter kann die rheologische Flüssigkeit auch andere Basisstoffe wie z. B. Wasser aufweisen.

Ansprüche

1. Kraftmaschine mit einem Kühlmittel zur Kühlung der Kraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Kühlmittel eine rheologische Flüssigkeit ist.

2. Kraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die rheologische Flüssigkeit in ihrem passiven Zustand einen geringeren Wärmeleitwert als in ihrem aktivierten Zustand aufweist.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die rheologische Flüssigkeit in ihrem passiven Zustand einen Wärmeleitwertbetrag von etwa einem drittel, bezogen auf den Wärmeleitwertbetrag von Wasser, und in ihrem aktiven Zustand einen Wärmeleitwertbetrag von etwas mehr als dem dreifachen Wärmeleitwert von Wasser aufweist.

4. Kraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die rheologische Flüssigkeit als Basisstoff Silikonöl und einen Wärmemeleitwertbereich von 0,2 bis 1,88 W/mK aufweist.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.

1. Kraftmaschine mit einem Kühlmittel zur Kühlung der Kraftmaschine, wobei das Kühlmittel eine rheologische Flüssigkeit ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die rheologische Flüssigkeit in ihrem passiven Zustand einen geringeren Wärmeleitwert als in ihrem aktivierten Zustand aufweist.

2. Kraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die rheologische Flüssigkeit in ihrem passiven Zustand einen Wärmeleitwertbetrag von etwa einem drittel, bezogen auf den Wärmeleitwertbetrag von Wasser, und in ihrem aktiven Zustand einen Wärmeleitwertbetrag von etwas mehr als dem dreifachen Wärmeleitwert von Wasser aufweist.

3. Kraftmaschine nach einem der Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die rheologische Flüssigkeit als Basisstoff Silikonöl und einen Wärmemeleitwertbereich von 0,2 bis 1,88 W/mK aufweist.