-
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem einer Fahrzeugkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines derartigen Kühlsystems in einem die Fahrzeugkraftmaschine aufweisenden Fahrzeug.
-
Die gattungsgemäße
DE 199 48 160 A1 betrifft eine Kühlvorrichtung für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, mit einem die Brennkraftmaschine mit einem Kühler verbindenden, eine Kühlmittelpumpe aufweisenden Hauptleitungssystem sowie mit einem Nebenschlußleitungssystem, in dem ein über eine Entlüftungsleitung mit dem Kühler und über eine Rücklaufleitung mit dem Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine verbundener Kühlmittelausgleichsbehälter vorgesehen ist. Um eine schnellere Erwärmung der Brennkraftmaschine und der Fahrzeugheizung zu erreichen sowie den Verbrauch und die Emissionen der Brennkraftmaschine zu verringern, wird vorgeschlagen in der Entlüftungsleitung oder der Rücklaufleitung ein Thermostatventil anzuordnen, das eine Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlmittelausgleichsbehälter bis zu einer vorgegebenen Temperatur unterbindet.
-
Ein in der
DE 196 07 638 C1 offenbarter Kühlkreislauf enthält einen Ausgleichbehälter, an den mindestens eine mit der Brennkraftmaschine und/oder dem Kühler verbundene Entlüftungsleitung angeschlossen ist. Um die Aufwärmphase der Brennkraftmaschine zu verkürzen, ist in der Entlüftungsleitung ein Sperrventil vorgesehen, mit dem die Verbindung der Entlüftungsleitung zum Ausgleichbehälter während der Aufwärmphase absperrbar ist. Dadurch soll erreicht werden können, dass das im Ausgleichbehälter befindliche Kühlmittel im Kurzschlußkreislauf nicht umgewälzt wird.
-
In der
DE 10 2010 017 766 A1 wird eine Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine mit einem mit Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelausgleichsbehälter beschrieben, dessen Einlaßseite über eine erste Entlüftungsleitung mit einem Verbrennungsmotorund/oder über eine zweite Entlüftungsleitung mit einem Kühler zum Kühlen des Kühlmittels verbunden ist und dessen Auslassseite über eine Kühlmittelrücklaufleitung mit der Einlassseite einer Pumpvorrichtung zum Pumpen des Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor verbunden ist. Die Kühlanordnung weist ferner eine Strömungssteuereinheit zur veränderbaren Begrenzung des Kühlmittelvolumenstroms in der Entlüftungsleitung auf.
-
Gegenstand der
DE 10 2011 121 519 A1 ist ein Verfahren zur Abtrennung von Wasser aus einem Schaumlöschmittel, wobei das Schaumlöschmittel unter Druck in eine Filteranlage geleitet wird, wobei der Filter der Filteranlage derart ausgebildet ist, dass der Filter für Wassermoleküle durchlässig ist, nicht jedoch für größere Moleküle. Gegenstand der
DE 10 2011 121 519 A1 ist ebenfalls eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens mit einer Filteranlage, wobei der Filteranlage eine Pumpeinrichtung vorgeschaltet ist, wobei die Pumpeinrichtung mit einem Pufferbehälter für Schaumlöschmittel in Verbindung steht.
-
In der
JP H08-185 877 A ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, dessen Wassersystem wartungsfrei sein soll. Eine Frostschutzlösung aus Ethylenglykol, gemischt mit Wasser, zirkuliert in einem Kühlwasserzirkulationskanal mit einer Brennstoffzelle als Teil einer Rohrleitung, und die Brennstoffzelle wird mit der Frostschutzlösung gekühlt. Außerdem ist der Kanal mit einer Wasserabscheidevorrichtung zum Reinigen und Trennen von Wasser aus der Lösung über einen Ultrafiltrationsfilm ausgestattet. Wasser, das kein Ethylenglykol enthält, wird aus der durch den Kanal zirkulierenden Lösung raffiniert, da nur Wasser durch den Film gefiltert wird und dieses raffinierte Wasser von dem Kanal getrennt wird. Dann wird das gereinigte und abgeschiedene Wasser einem Befeuchter zugeführt, der zwischen einer Methanolreformiervorrichtung und der Brennstoffzelle zum Befeuchten von Wasserstoffgasen angeordnet ist. Mit anderen Worten wird das darin enthaltene Wasser zur Befeuchtung von Wasserstoffgasen aus der Lösung über Raffinations- und Trennprozesse bezogen.
-
Auf dem Gebiet der Kühlsysteme von Kraftmaschinen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen, ist es bekannt, wasserbasierte Flüssigkeiten mit niedrigem Gefrierpunkt als wärmeabführendes Medium einzusetzen, um Berstschäden aufgrund der Ausdehnung von Wasser beim Gefrieren bei Temperaturen unterhalb von 0°C zu vermeiden. Beispielsweise werden Mischungen von Wasser und (Mono-)Ethylenglycol (Ethan-1,2-diol) als Frostschutzmittellösung verwendet.
-
Die Verwendung einer derartigen Frostschutzmittellösung stellt immer einen technischen Kompromiss dar. Zwar können Berstschäden wirksam vermieden werden, wenn die Konzentration des Frostschutzmittels in der wässrigen Frostschutzmittellösung ausreichend bemessen ist. Andererseits weist reines Wasser eine höhere Wärmekapazität und eine niedrigere Viskosität auf, wodurch eine Verwendung kleinerer Wärmetauscher (z.B. Fahrzeugkühler) und/oder geringere Durchflussmengen durch den Wärmetauscher ermöglicht und hydraulische Verluste gering gehalten werden könnten, so dass eine geringere Pumpenleistung innerhalb des Kühlsystems zur Abführung der Wärme ausreichend wäre.
-
Eine heutzutage typischerweise für Verbrennungsmotoren verwendete Frostschutzmittellösung aus 50% Wasser und 50% Ethylenglycol weist einen Gefrierpunkt von etwa -40°C auf. Derartig tiefe Temperaturen werden nur in wenigen bewohnten Teilen der Welt und/oder nur in einem kurzen Zeitraum eines Jahreslaufs erreicht, so dass eine ganzjährige Verwendung einer derartigen Frostschutzmittellösung in der meisten Zeit die obengenannten Nachteile mit sich bringt.
-
Weiterhin sind bei Kühlsystemen von Kraftmaschinen die Randbedingungen für eine Wärmeabfuhr bei hohen Außentemperaturen, bei denen ein Frostschutz überhaupt nicht notwendig ist, besonders kritisch.
-
Insbesondere für als Verbrennungsmotoren ausgebildete Kraftmaschinen wurden daher im Stand der Technik verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
-
Beispielsweise beschreibt die
KR 10 1999 0 017 880 A eine stationäre Vorrichtung zur automatischen Steuerung einer Konzentration eines Frostschutzmittels. Die stationäre Vorrichtung wird bereitgestellt, um die Produktivität an einem Montageband zu verbessern und die Effizienz einer Fahrzeugproduktion zu erhöhen, indem ein Steuerungs-Frostschutzmitteltank installiert wird, um ein Frostschutzmittel mit Wasser mittels eines Durchflussregelventils und eines Wasserstandregelventils zu steuern und zu mischen. Die Vorrichtung umfasst ein Bedienteil zur Eingabe eines Konzentrationswerts des Frostschutzmittels auf der Grundlage der Klimabedingungen eines Exportgebietes, eine Steuerungseinheit zur Berechnung einer Mischung von Frostschutzmittel und Wasser bezogen auf den eingegebenen Konzentrationswert, ein Durchflussregelventil und ein Wasserstandregelventil zum Ablassen und Steuern der Mischung aus Frostschutzmittel und Wasser, das aus einem Frostschutzmitteltank und einem Wasserversorgungstank mittels der Steuerungseinheit zugeführt wird, und einen Steuerungs-Frostschutzmitteltank zum Speichern der Frostschutzmittelmischung, die aus dem Frostschutzmittel und dem Wasser gemischt ist.
-
Die
US 4,513,696 A beschreibt eine stationäre, platzsparende Vorrichtung zum Einfüllen einer Kühlflüssigkeit mit einer gewünschten Frostschutzmittelkonzentration in ein Motorkühlsystem. Die Vorrichtung umfasst einen zusätzlichen Speicherbehälter zur Speicherung eines Zusatzmittels, wie z.B. eines Frostschutzmittels, einen Kühlwasser-Speicherbehälter zum Speichern von Kühlwasser, einen Befüllkopf, der so ausgelegt ist, dass er mit einem Kühlmitteleinlass eines Kühlsystems eines Kraftfahrzeugmotors verbunden werden kann, wobei sich zusätzliche Leitungen zwischen dem zusätzlichen Speicherbehälter und dem Befüllkopf, und Kühlwasserleitungen zwischen dem Kühlwasserreservoir erstrecken. Zusätzliche Steuerventile sind in den zusätzlichen Leitungen vorgesehen, um die Menge des dem Motorkühlsystem zugeführten Zusatzmittels entsprechend der Kapazität des Kühlsystems und einer gewünschten Konzentration des Zusatzmittels zu steuern. Kühlwasser-Steuerventile sind ebenfalls in den Kühlwasserleitungen vorgesehen, um die Menge des dem Motorkühlsystem zugeführten Kühlwassers entsprechend der Kapazität des Kühlsystems und der gewünschten Konzentration des Zusatzmittels zu steuern. Dadurch wird das Kühlwasser in das Motorkühlsystem mit der gewünschten Konzentration des Zusatzmittels eingefüllt.
-
Des Weiteren sind im Stand der Technik Vorschläge zu fahrzeugeigenen Vorrichtungen bekannt, die dazu dienen, eine Konzentration von Frostschutzmittel in einer Frostschutzmittellösung zu verändern oder andere Nachteile eines Kühlsystems mit einer hohen Konzentration von Frostschutzmittel abzumildern.
-
Die
KR 10 1999 0 051 956 A beschreibt eine Vorrichtung zum automatischen Zuführen von Frostschutzlösung eines Fahrzeugs und ein Steuerungsverfahren, um zu verhindern, dass ein Kühler und ein Zylinderblock eingefroren und beschädigt werden. Die Vorrichtung zum automatischen Zuführen von Frostschutzlösung eines Fahrzeugs umfasst ein Frostschutzlösung speicherndes Gefäß, an dem eine Auslassöffnung ausgebildet ist, die die Frostschutzlösung an einer Unterseite des Gefäßes abgibt und das an einer vorbestimmten Position eines Innenraums einer Motorhaube des Fahrzeugs befestigt ist. Die Vorrichtung beinhaltet ferner eine Versorgungsleitung, die mit einem Kühler, der Kühlmittel enthält, und mit der Auslassöffnung verbunden ist, um dem Kühler die Frostschutzlösung zuzuführen. Ein Öffnungs- und Schließventil ist an der Versorgungsleitung angebracht, um einen Durchgang der Versorgungsleitung zu öffnen und zu schließen. Ein Außentemperatursensor erfasst eine Temperatur der Außenluft. Eine Steuerungseinheit öffnet und schließt das Öffnungs- und Schließventil aufgrund eines Signals des Außentemperatursensors.
-
In der
KR 10 0 250 041 B1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Dichte einer Frostschutzlösung vorgeschlagen, um automatisch eine Dichte der Frostschutzlösung in Abhängigkeit von der Temperatur der Außenluft durch Erhöhen und Verringern einer Menge an Kühlwasser über einen Zentrifugalmotor zu steuern und die Frostschutzlösung aus einer Kammer zuzuführen. Ein Dichte-Sensor misst die Dichte der Frostschutzlösung in einem Fahrzeugkühler. Eine Steuereinheit erhält als Eingangssignal ein Signal eines Temperatursensors, der die Temperatur der Außenluft erfasst, und vergleicht die Dichte der Frostschutzlösung und die Temperatur der Außenluft mit einer vorbestimmten Logik. Ein von der Steuereinheit ausgegebenes Steuersignal treibt den Zentrifugalmotor eines Kühler-Vorratstanks an, um Kühlwasser aus dem Kühler ausfließen zu lassen. Ein Frostschutzlösungsversorgungs-Motor oder ein Kühlwasserversorgungs-Motor wird angetrieben, um automatisch die Frostschutzlösung oder das Kühlwasser zuzuführen.
-
Die
CN 104 929 752 A beschreibt eine Einstellvorrichtung und ein Einstellverfahren für eine Frostschutzflüssigkeit eines Kühlsystems eines turboaufgeladenen Motors zur Vermeidung von lauten Durchflussgeräuschen, die bei bestimmten Fahrzuständen durch notwendige Bereitstellung von Kühlflüssigkeit für den turboaufgeladenen Motor erzeugt werden. Die Einstellvorrichtung umfasst ein BCM (Body Control Module), ein Relais und ein normal offenes Magnetventil, wobei das normal offene Magnetventil mit einer Rohrleitung zwischen einem Thermostat und einem Wärmetauscher des Motorkühlsystems verbunden ist. Das BCM ist mit einem Ende einer Spule des Relais verbunden. Das andere Ende der Spule des Relais ist mit einer Stromversorgung B + verbunden. Ein Ende eines Schalters des Relais ist mit der Stromversorgung B + verbunden, das andere Ende des Schalters des Relais ist mit einem Ende des normalerweise offenen Magnetventils verbunden. Das andere Ende des normalerweise offenen Magnetventils ist geerdet. Das BCM ruft ein Motor-Kühlwassertemperatursignal, ein Motor-Drehzahlsignal und ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal ab und gibt die Signale nach einer internen Berechnung aus. Ein Öffnen/Schließen des normal offenen Magnetventils wird durch das Relais gesteuert, um die Einstellung der Frostschutzflüssigkeit auszuführen. Gemäß der Einstellvorrichtung und dem Einstellverfahren kann ein Strömungsgeräusch der Frostschutzflüssigkeit im Wärmetauscher wirksam verhindert werden und der Fahrkomfort in einem Fahrgastraum wird verbessert.
-
Eine alternative Lösung zur Bereitstellung eines Schutzes vor Berstschäden bei Außentemperaturen unterhalb von 0°C wird in der
CN 201 050 401 Y vorgeschlagen. Dort ist eine Frostschutzreguliervorrichtung eines Kühlers beschrieben, die auf den Kühler abgestimmt ist. Die Frostschutzreguliervorrichtung befindet sich in einer geschlossenen, hohlen Behälterstruktur, wobei eine oder mehrere Poren an der Unterseite angeordnet sind. Die gesamte Vorrichtung ist in einer unteren Wasserspeicherkammer des Kühlers angeordnet. Die Vorrichtung ist auf der Unterseite der unteren Wasserspeicherkammer mittels einer Befestigungsplatte befestigt, wobei zwei Enden geschlossen sind. Wenn der Kühler vollständig mit Kühlwasser gefüllt wird und die Wassertemperatur zunimmt, dehnt sich das in der Frostschutzreguliereinrichtung eingeschlossene Luftvolumen aus, um ein Eindringen des Kühlwassers der unteren Wasserspeicherkammer zu verhindern. Wenn die Umgebungstemperatur unter 0°C fällt, ist die Luft kalt und das Luftvolumen geschrumpft, das Wasser ist gefroren und das Volumen ist durch die Poren in die Frostschutzreguliereinrichtung hinein angestiegen, wodurch eine Ausdehnung des Kühlers aufgrund des eingefrorenen Wassers abgebaut wird. Die Wasserspeicherstruktur des Kühlers ist somit vor Beschädigung durch Bersten geschützt.
-
Für einige Kraftmaschinen, die ein offenes Kühlsystem umfassen, sind im Stand der Technik alternative Lösungen zum Schutz vor Berstschäden bei niedrigen Außentemperaturen bekannt.
-
Beispielsweise beschreibt die
US 5,263,885 A ein Gerät (elektronischer „Wnterizer“), das in einem Innenraum eines Bootes installiert ist. Es macht einen Innenbordmotor/Außenbordmotor winterfest, ohne dass eine fachkundige Person daran beteiligt ist. Das Winterfestmachen kann im Wasser oder außerhalb des Wassers ausgeführt werden. Die Erfindung ermöglicht es einem Bootsbesitzer, seinen Innen-/Außenbordmotor bei kalten Temperaturen zu betreiben, ohne dass er jedes Mal eine Person beauftragen muss, den Motor winterfest zu machen. Dadurch wird das Boot den ganzen Winter über nutzbar. Um das Gerät zu betreiben, wird der Innen-/Außenbordmotor zunächst gestartet. Nachdem der Motor eine geeignete Temperatur erreicht hat, wird der Thermostat geöffnet. Während der Motor läuft, betätigt der Bediener einen Schalter, der im Armaturenbrett des Führerstandes montiert ist. Der Schalter aktiviert eine elektronische Zeitschaltuhr, die ein Gleichstromventil und eine Pumpe einschaltet. Beim Moment des Einschaltens öffnet sich das Ventil und die Pumpe beginnt zu laufen. Die Pumpe fördert Frostschutzmittel aus einem Vorratstank, der ebenfalls im Innenraum des Bootes installiert ist. Die Pumpe gibt Frostschutzmittel durch das offene Ventil in den Injektor ab. Der Injektor ist in einem Schlauch montiert, der Kühlmittel zum Motor und zur Antriebswelle bringt. Das Frostschutzmittel durchläuft den Injektor in einem solchen Winkel, dass er das Frostschutzmittel und das Kühlwasser in einem Verhältnis mischt, das geeignet ist zu verhindern, dass das Gerät einfriert.
-
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet das Gebiet der Kühlsysteme für Fahrzeugkraftmaschinen noch Raum für Verbesserungen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem für Fahrzeugkraftmaschinen bereitzustellen, das Berstschäden, insbesondere in der Fahrzeugkraftmaschine, durch Gefrieren eines Kühlmittels wirksam verhindert und gleichzeitig eine Verwendung kleinerer Wärmetauscher und/oder Leitungen mit geringerem Durchmesser und/oder eine Senkung der Anforderung an eine aufzubringende Pumpenleistung ermöglicht, wobei zudem eine Konzentration des Frostschutzmittels im Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislauf verringert werden soll, wenn eine Gefahr des Gefrierens des Kühlmittel nicht mehr besteht.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch die Verwendung eines derartigen Kühlsystems gemäß Anspruch 9 in einem die Fahrzeugkraftmaschine aufweisenden Fahrzeug gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
-
Das Kühlsystem einer Fahrzeugkraftmaschine weist einen ein flüssiges Kühlmittel enthaltenden Kraftmaschinen-Kühlkreislauf und einen mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf strömungstechnisch verbundenen Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf auf. Es sind ein Behälter zur Aufnahme einer konzentrierten Frostschutzmittellösung und ein strömungstechnisch zwischen dem Behälter und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf angeordnetes Absperrelement vorgesehen, wobei das Absperrelement dazu dient, in zumindest einem Betriebszustand des Kühlsystems eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem Behälter und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf herzustellen.
-
Unter einem „Fahrzeug“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Kleintransporter, ein Lastkraftwagen oder ein Kraftomnibus verstanden werden. Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere speziell dafür programmiert, ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
-
Unter einer „konzentrierten Frostschutzmittellösung“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine Konzentration von mindestens 70 Vol.%, bevorzugt mindestens 80 Vol.% und, besonders bevorzugt, mindestens 90 Vol.% Frostschutzmittel in Wasser verstanden werden.
-
Das Kühlsystem kann bei geeigneter Ausgestaltung ein Gefrieren der Kühlmittellösung wirksam verhindern und/oder eine zur Abführung der Wärme erforderliche Pumpenleistung verringern und/oder eine Verwendung eines kleineren Wärmetauschers und/oder Leitungen mit geringerem Durchmesser ermöglichen. Insbesondere kann die konzentrierte Frostschutzmittellösung über den Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf konstruktiv besonders einfach in den Kraftmaschinen-Kühlkreislauf eingebracht werden, so dass auch eine Nachrüstung bestehender Systeme ermöglicht ist.
-
Die Fahrzeugkraftmaschine kann insbesondere als Verbrennungskraftmaschine oder als Brennstoffzellenaggregat ausgebildet sein.
-
Erfindungsgemäß ist eine Separationseinheit eingerichtet zur Abtrennung von Frostschutzmittel aus dem Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislauf vorgesehen. Dabei ist die Separationseinheit strömungstechnisch eingangsseitig mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf zumindest zeitweise verbunden und ausgangsseitig mit dem Behälter verbunden.
-
Auf diese Weise kann ermöglicht werden, eine Konzentration des Frostschutzmittels im Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislauf zu verringern, um die oben genannten Vorteile dann wieder zur Verfügung zu haben, wenn eine Gefahr des Gefrierens des Kühlmittels nicht mehr besteht.
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene physikalische oder chemische Verfahren zur Abtrennung von Frostschutzmittel, insbesondere von Ethylenglycol, aus wässrigen Frostschutzmittellösungen bekannt. Typische Verfahren sind beispielsweise Umkehrosmose, Pervaporation oder auch Destillation, die auch kombiniert für die Trennung von Wasser und Ethylenglycol angewendet werden. Teilweise erfordern diese Verfahren einen zusätzlichen Energiebedarf in Form von erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, welcher bevorzugt durch den Verbrennungsmotor bereitgestellt werden kann (z.B. Abwärme von Abgas und Kühlsystem).
-
In bevorzugten Ausgestaltungsformen des Kühlsystems ist der Behälter zur Aufnahme der konzentrierten Frostschutzmittellösung innerhalb eines Ausgleichsbehälters des Kühlsystems angeordnet. Auf diese Weise kann eine Anordnung des Behälters mit geringem Platzbedarf und großen Vorteilen bezüglich des packaging des Kühlsystems erzielt werden.
-
Besonders bevorzugt weist der Behälter einen ersten Teilraum und einen zweiten Teilraum auf. Der erste und der zweite Teilraum sind strömungstechnisch durch eine bewegliche Trennwand voneinander getrennt. Dabei ist der erste Teilraum strömungstechnisch mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf verbunden, und der zweite Teilraum ist zur Aufnahme des Frostschutzmittels vorgesehen und mittels des Absperrelements strömungstechnisch mit dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf verbunden.
-
Auf diese Weise kann eine Erhöhung der Konzentration des Frostschutzmittels im Kraftmaschinen-Kühlkreislauf mit einer nur geringen oder sogar ganz ohne Volumenänderung erreicht werden.
-
Die bewegliche Trennwand kann beispielsweise linear verschiebbar ausgebildet sein.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Kraftspeicherelement vorgesehen, welches die Trennwand zur Vergrößerung des ersten Teilraums und zur Verkleinerung des zweiten Teilraums bewegt, wenn mittels des Absperrelements eine strömungstechnische Verbindung mit dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf hergestellt ist. Dadurch kann die Bewegung der Trennwand auf besonders einfache Weise ausgeführt werden.
-
Eine konstruktiv besonders einfache Lösung kann bereitgestellt werden, wenn das Kraftspeicherelement zumindest ein Federungsmittel aufweist.
-
Im bevorzugten Ausführungsformen des Kühlsystems ist das Absperrelement als ansteuerbares Ventil oder als mechanisches Thermostatventil ausgebildet. Auf diese Weise kann bei einer geeigneten Ausgestaltung ein sicherer, nicht durch Bedienerfehler gefährdeter Schutz vor Berstschäden durch Gefrieren des Kühlmittels erreicht werden. Insbesondere kann das mechanische Thermostatventil dazu vorgesehen sein, bei einer Temperatur zu öffnen, die geringfügig oberhalb der Erstarrungstemperatur des Kühlmittels liegt. Beispielsweise könnte die Öffnungstemperatur des Absperrelements bei einer Frostschutzkonzentration von 10% bevorzugt bei ca. -4°C liegen.
-
Im vorteilhaften Ausführungsformen des Kühlsystems ist eine elektronische Steuerungseinheit vorgesehen, welche das als ansteuerbares Ventil ausgebildete Absperrelement zur Herstellung einer strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Behälter und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf ansteuert.
-
Unter einer „elektronischen Steuerungseinheit“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere eine elektronische Recheneinheit mit zumindest einem elektronischen Regelkreis und/oder zumindest einem elektronischen Steuerkreis verstanden werden.
-
Auf diese Weise kann eine präzise und zuverlässige Ansteuerung des Absperrelements erreicht werden. Bei einer geeigneten Ausgestaltung kann mittels der elektronischen Steuerungseinheit eine Ansteuerung des Absperrelements mit der Erfüllung einer Bedingung verknüpft werden, die eine oder mehrere verschiedene Eingangsgrößen kombiniert, wodurch eine Zuverlässigkeit einer Voraussage über eine zu erwartende Außentemperatur gesteigert werden kann.
-
Wenn die elektronische Steuerungseinheit zumindest eine Prozessoreinheit und eine digitale Datenspeichereinheit aufweist, auf die die Prozessoreinheit datentechnischen Zugriff hat, kann eine automatische, flexible und zuverlässige Ansteuerung des Absperrelements mit unterschiedlichen Schwellenwerten von Eingangsgrößen ermöglicht werden.
-
Bevorzugt ist die elektronische Steuerungseinheit dazu vorgesehen, einen Wert zumindest einer Eingangsgröße zu überwachen und das ansteuerbare Ventil anzusteuern, wenn ein überwachter Wert zumindest der einen Eingangsgröße eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.
-
Bevorzugte Eingangsgrößen sind beispielsweise, aber nicht erschöpfend, eine Änderung einer elektrischen Größe aufgrund einer manuellen Betätigung eines Schaltelements durch einen Bediener, ein Signal eines Außentemperatursensors sowie ein durch Datenübertragung empfangenes Signal einer Wettervorhersage, das eine Vorhersage über zu erwartende Temperaturwerte beinhaltet.
-
In vorteilhaften Ausführungsformen des Kühlsystems weist das flüssige Kühlmittel vor einer erstmaligen Herstellung einer strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Behälter und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf eine Frostschutzmittelkonzentration zwischen 10 Vol.% und 20 Vol.% auf.
-
Auf diese Weise können die Vorteile in Bezug auf hydraulische Verluste (geringere erforderliche Pumpenleistung), eine Verwendung kleinerer Wärmetauscher und/oder Leitungen mit geringerem Durchmesser zu einem großen Teil genutzt werden, während gleichzeitig ein Schutz vor Berstschäden auch bei Außentemperaturen gewährleistet ist, die leicht unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegen.
-
Wenn beispielsweise Ethylenglycol als Frostschutzmittel verwendet wird, besteht ein Schutz vor Berstschäden auch bei Außentemperaturen bis zu etwa -5°C (bei 10 Vol.%) bzw. -10°C (bei 20 Vol.%). Gleichzeitig ist ein hydraulischer Druckverlust gegenüber reinem Wasser bei einer Frostschutzmittelkonzentration von 20 Vol.% und einer Betriebstemperatur von 100°C nur um etwa 15% erhöht. Bei der üblichen Frostschutzmittelkonzentration von 50% beträgt die Erhöhung des hydraulischen Druckverlusts ca. 45-50%.
-
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems in einem die Fahrzeugkraftmaschine umfassenden Fahrzeug vorgeschlagen. Die im Zusammenhang mit dem Kühlsystem vorgestellten Vorteile sind in vollem Umfang auf dessen Verwendung in einem Fahrzeug übertragbar.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines konventionellen Kühlsystems einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Fahrzeugkraftmaschine. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform des Kühlsystems einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Fahrzeugkraftmaschine,
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Kühlsystems
- 4 bis 7 schematische Darstellungen von alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems, und
- 8 eine Darstellung einer möglichen Verwendung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
-
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines konventionellen Kühlsystems einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Fahrzeugkraftmaschine 46 eines Personenkraftwagens (nicht dargestellt). Das konventionelle Kühlsystem weist einen Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 auf, der ein flüssiges Kühlmittel enthält, das aus einer 50%igen Lösung von Ethylenglycol in Wasser und bekannten Additiven, beispielsweise zur Korrosionsvermeidung, besteht. Eine durch den Verbrennungsmotor angetriebene Kühlmittelpumpe 12 fördert das Kühlmittel innerhalb des Kraftmaschinen-Kühlkreislaufs 10. Der Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 umfasst ferner einen Fahrzeugkühler 14 als Wärmetauscher zur Abgabe der Motorwärme an die Außenluft.
-
Ein Durchfluss des Kühlmittels durch den Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 wird in an sich bekannter Weise durch ein am Verbrennungsmotor angeordnetes Thermostatventil 18 geregelt. Bei betriebskaltem Verbrennungsmotor ist ein Kühlmittelpfad durch den Fahrzeugkühler 14 durch das Thermostatventil 18 verschlossen, und das Kühlmittel wird von der Kühlmittelpumpe 12 durch einen Motorblock des Verbrennungsmotors direkt zurück zur Kühlmittelpumpe 12 gefördert. Überschreitet die Kühlmitteltemperatur einen vorbestimmten Temperaturwert von z.B. etwa 75°C, verschließt das Thermostatventil 18 die direkte Rückführung zur Kühlmittelpumpe 12 und öffnet einen Kühlmittelpfad durch den Fahrzeugkühler 14 zur Kühlmittelpumpe 12.
-
Das konventionelle Kühlsystem beinhaltet ferner einen Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 mit einem Fahrzeugkabinen-Wärmetauscher 22 und einer elektrisch betriebenen Pumpe 24 zur Förderung des Kühlmittels durch den Fahrzeugkabinen-Wärmetauscher 22. Die elektrisch betriebene Pumpe 24 wird von einer elektronischen Steuerungseinheit 36 angesteuert.
-
Ein Ausgleichsbehälter 16 des konventionellen Kühlsystems ist strömungstechnisch mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 verbunden.
-
Nachfolgend werden verschiedene mögliche Ausführungsformen des Kühlsystems beschrieben. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zwischen einer ersten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems und dem konventionellen Kühlsystem bzw. nur die Unterschiede zwischen den verschiedenen möglichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems beschrieben.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform des Kühlsystems der als Verbrennungsmotor ausgebildeten Fahrzeugkraftmaschine 46.
-
Der Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 und der Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 des Kühlsystems enthalten ein flüssiges Kühlmittel, das aus einer 15%igen Lösung von Ethylenglycol in Wasser und den bekannten Additiven besteht.
-
Das Kühlsystem gemäß der 2 weist ferner einen Behälter 26 zur Aufnahme einer konzentrierten, wässrigen Frostschutzmittellösung auf, die eine Konzentration von mehr als 95% des von Ethylenglycol gebildeten Frostschutzmittels hat. In einer Ausgangssituation ist der Behälter 26 mit der konzentrierten Frostschutzmittellösung gefüllt.
-
Weiterhin weist das Kühlsystem ein strömungstechnisch zwischen dem Behälter 26 und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 angeordnetes Absperrelement auf, das als steuerbare Absperrklappe 42 ausgebildet ist. Die elektronische Steuerungseinheit 36 beinhaltet eine Prozessoreinheit 38 und eine digitale Datenspeichereinheit 40, auf die die Prozessoreinheit 38 datentechnischen Zugriff hat, und ist dazu vorgesehen, die steuerbare Absperrklappe 42 unter noch näher zu beschreibenden Umständen zur Herstellung einer strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Behälter 26 und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 anzusteuern.
-
Die elektronische Steuereinheit 36 ist dazu vorgesehen, mit Werten verschiedener Eingangsgrößen, die Absperrklappe 42 zu steuern. Als Eingangsgrößen können hierbei beispielsweise die Außentemperatur, Informationen zur Wettervorhersage oder auch eine manuelle Eingabe durch den Fahrer berücksichtigt werden. Die Eingangsgrößen können dabei einzeln oder in Kombination für die Ansteuerung der Absperrklappe berücksichtigt werden. Sinnvoll erscheint in diesem Zusammenhang eine Priorisierung des Außentemperatursignals, da diese Information für den Schutz gegen Berstschäden wesentlich ist.
-
Die elektronische Steuerungseinheit 36 ist dazu vorgesehen, eine sinnvolle Steuerung der Absperrklappe 42 mit den Eingangsgrößen zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Fahrer durch die Eingabe einer in Kürze zu erwartenden tieferen Außentemperatur, die Frostschutzkonzentration bereits im Vorfeld erhöhen. Dies kann unter Umständen dann sinnvoll sein, wenn bei tiefen Außentemperaturen deutlich unter der Null-Grad Grenze, das Fahrzeug in einer beheizten Garage abgestellt ist.
-
Die elektronische Steuerungseinheit 36 steuert die Absperrklappe 42 zur Herstellung einer strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Behälter 26 und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 an. Zudem aktiviert die elektronische Steuerungseinheit 36 die elektrisch betriebene Pumpe 24 zur Förderung des Kühlmittels durch den Fahrzeugkabinen-Wärmetauscher 20, um die konzentrierte Frostschutzmittellösung aus dem Behälter 26 gleichmäßig zu verteilen. Nach einer vorgegebenen Laufzeit kann die elektrisch betriebene Pumpe 24 abgestellt und die steuerbare Absperrklappe 42 geschlossen werden.
-
Das Kühlmittel des Kühlsystems kann nach Ablauf der Wintersaison im Rahmen einer Service-Inspektion oder bei einem Wechsel der Fahrzeugreifen von Winter- auf Sommerreifen wieder gegen eine Frostschutzmittellösung mit einer Frostschutzmittelkonzentration zwischen 10 Vol.% und 20 Vol.% ausgetauscht werden, um die beschriebenen Vorteile zu erzielen. Zugleich kann der Behälter 26 zur Aufnahme der konzentrierten Frostschutzmittellösung wieder aufgefüllt werden.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems. In dieser Ausführungsform des Kühlsystems ist im Vergleich zur Ausführungsform der 2 zusätzlich eine Separationseinheit 34 zur Abtrennung von Frostschutzmittel aus dem Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislaufs 10 vorgesehen. Die Separationseinheit 34 ist strömungstechnisch eingangsseitig mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10, nämlich parallel zur Kühlmittelpumpe 12, zumindest zeitweise verbunden und ausgangsseitig mit dem Behälter 26 verbunden. Mittels der Separationseinheit 34 kann nach Herstellen einer strömungstechnischen Verbindung mit der Kühlmittelpumpe 12 eine Konzentration des Frostschutzmittels im Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 verringert werden, um die zuvor genannten Vorteile dann wieder zur Verfügung zu stellen, wenn eine Gefahr des Gefrierens des Kühlmittels aufgrund niedriger Außentemperatur nicht mehr besteht. Die strömungstechnische Verbindung der Eingangsseite der Separationseinheit 34 mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 kann beispielsweise durch steuerbare Absperrklappen (nicht dargestellt) erfolgen, die zwischen der Separationseinheit 34 und der Kühlmittelpumpe 12 angeordnet sind und durch die elektronische Steuerungseinheit 36 ansteuerbar sind.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems. In dieser Ausführungsform des Kühlsystems ist im Vergleich zur Ausführungsform der 2 der Behälter 26 zur Aufnahme der konzentrierten Frostschutzmittellösung innerhalb des Ausgleichsbehälters 16 des Kühlsystems angeordnet. Zudem weist der Behälter 26 einen ersten Teilraum 28 und einen zweiten Teilraum 30 auf, die durch eine bewegliche, undurchlässige Trennwand strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Der erste Teilraum 28 ist strömungstechnisch mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 verbunden. Der zweite Teilraum 30 ist zur Aufnahme der konzentrierten Frostschutzmittellösung vorgesehen und mittels eines Absperrelements strömungstechnisch mit dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 verbunden. Anstelle der steuerbaren Absperrklappe 42 der Ausführungsform gemäß der 2 ist das Absperrelement als Thermostatventil 44 mit Fern-Temperatursensorsteuerung ausgebildet und strömungstechnisch zwischen dem zweiten Teilraum 30 und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 angeordnet. In dieser speziellen Ausführungsform ist das Thermostatventil 44 dazu ausgelegt, eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem zweiten Teilraum 30 und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 herzustellen, wenn der Fern-Temperatursensor eine Temperatur z.B. von -4°C detektiert bei einer Frostschutzkonzentration von 10%.
-
In diesem Fall bewegt ein von einer elastischen Feder gebildetes Kraftspeicherelement 32 die Trennwand zur Vergrößerung des ersten Teilraums 28 und zur Verkleinerung des zweiten Teilraums 30, wodurch die konzentrierte Frostschutzmittellösung über den Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 in den Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 gelangt. Eine Füllstandshöhe des Kühlmittels ändert sich dabei nicht, da das Volumen, das die konzentrierte Frostschutzmittellösung vor Herstellung der strömungstechnischen Verbindung eingenommen hatte, anschließend von einem Teil des Kühlmittels eingenommen wird.
-
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems. In dieser Ausführungsform des Kühlsystems ist das Absperrelement im Vergleich zur Ausführungsform der 4 nicht als Thermostatventil 44 mit Fern-Temperatursensorsteuerung sondern als von der elektronischen Steuerungseinheit 36 steuerbare Absperrklappe 42 ausgebildet.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems. In dieser Ausführungsform des Kühlsystems ist im Vergleich zur Ausführungsform der 4 eine Separationseinheit 34 - entsprechend der Separationseinheit der Ausführungsform des Kühlsystems gemäß der 3 - zur Abtrennung von Frostschutzmittel aus dem Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislaufs 10 vorgesehen.
-
7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems. In dieser Ausführungsform des Kühlsystems ist im Vergleich zur Ausführungsform der 5 eine Separationseinheit 34 - entsprechend den Separationseinheiten der Ausführungsformen des Kühlsystems gemäß der 3 und 6 - zur Abtrennung von Frostschutzmittel aus dem Kühlmittel des Kraftmaschinen-Kühlkreislaufs 10 vorgesehen.
-
8 zeigt eine Darstellung einer möglichen Verwendung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems.
-
Der obere Teil der 8 illustriert eine mögliche Vorgehensweise für eine Erhöhung der Konzentration des Frostschutzmittels im flüssigen Kühlmittel bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems gemäß der 2, 3, 5 und 7.
-
Die elektronische Steuerungseinheit 36 steuert dabei beispielsweise mit Hilfe dreier Eingangsgrößen die Absperrklappe 42. Eine erste Eingangsgröße ist von einer elektrischen Spannung 50 gebildet, die aufgrund einer manuellen Betätigung eines Schaltelements durch einen Bediener erzeugt werden kann. Eine zweite Eingangsgröße ist von einem Signal 52 eines Außentemperatursensors 48 des Fahrzeugs gebildet. Eine dritte Eingangsgröße ist von einem per Funkwelle empfangenen Signal 54 einer Wettervorhersage gebildet, wobei das Signal 54 eine Vorhersage über zu erwartende Temperaturwerte beinhaltet.
-
Die beispielhaften Eingangsgrößen 50, 52, 54 können dabei einzeln oder in Kombination für die Ansteuerung der Absperrklappe 42 berücksichtigt werden. Zielführend ist eine Priorisierung des Außentemperatursignals, da diese Information für den Schutz gegen Berstschäden wesentlich ist. Die elektronische Steuerungseinheit 36 steuert in einem weiteren Verfahrensschritt 60 das Absperrelement 42 zur Herstellung einer strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Behälter 26 und dem Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf 20 an.
-
Der untere Teil der 8 illustriert eine mögliche Vorgehensweise für eine Verringerung der Konzentration des Frostschutzmittels in der wässrigen Frostschutzmittellösung bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlsystems gemäß der 3, 6 und 7.
-
Die elektronische Steuerungseinheit 36 ermittelt dabei anhand der Eingangsgrößen 50, 52, 54, als auch anhand der Konzentration 56 des Frostschutzmittels im Kühlmittel als vierte Eingangsgröße, eine sinnvolle Aktivierung der Separationseinheit. Dabei vergleicht die elektronische Steuerungseinheit 36 in einem Verfahrensschritt 62 den Wert der Konzentration 56 des Frostschutzmittels mit dem aus den Eingangsgrößen 50, 52, 54 ermittelten möglichen Idealwert der Konzentration des Frostschutzmittels. Liegt der überwachte Wert der Konzentration 56 des Frostschutzmittels oberhalb des Idealwerts, wird die Separationseinheit 34 strömungstechnisch eingangsseitig mit dem Kraftmaschinen-Kühlkreislauf 10 verbunden, beispielsweise durch Ansteuerung von Absperrklappen durch die elektronische Steuerungseinheit 36 in einem weiteren Verfahrensschritt 64.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Kraftmaschinen-Kühlkreislauf
- 12
- Kühlmittelpumpe
- 14
- Fahrzeugkühler
- 16
- Ausgleichsbehälter
- 18
- Thermostatventil
- 20
- Fahrzeugkabinen-Heizkreislauf
- 22
- Fahrzeugkabinen-Wärmetauscher
- 24
- elektrische Pumpe
- 26
- Behälter
- 28
- erster Teilraum
- 30
- zweiter Teilraum
- 32
- Kraftspeicherelement
- 34
- Separationseinheit
- 36
- elektronische Steuerungseinheit
- 38
- Prozessoreinheit
- 40
- digitale Datenspeichereinheit
- 42
- steuerbare Absperrklappe
- 44
- Thermostatventil
- 46
- Fahrzeugkraftmaschine
- 48
- Außentemperatursensor
- 50
- elektrische Spannung
- 52
- Signal Außentemperatursensor
- 54
- Signal Wettervorhersage
- 56
- Konzentration des Frostschutzmittels im Kühlmittel
- 58
- Vergleich überwachter Eingangsgrößen mit Schwellenwerten
- 60
- Ansteuerung Absperrelement
- 62
- Vergleich Konzentration Frostschutzmittel mit Sollwert
- 64
- Herstellung eingangsseitige strömungstechnische Verbindung der Separationseinheit mit Kraftmaschinen-Kühlkreislauf