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Kühlanlage für Brennkraftmaschinen mit einem Kühlwassermantel
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Kühlwassermantel, einem eine Pumpe, einen Kühler (Hauptkühler) und den Kühlwassermantel enthaltenden geschlossenen Kühlkreislauf (Hauptkühlkreislauf) und wenigstens einem zusätzlichen Kühlkreislauf für die Ladeluft - und gegebenenfalls Ölkühlung, dessen Arbeitstemperatur unter derjenigen des Hauptkühlkreislaufes liegt und der jeweils eine eigene Pumpe und einen eigenen Kühler aufweist, wobei der Hauptkühlkreislauf und die zusätzlichen Kühlkreislaufe voneinander getrennt und deren Kühler sowie der Hauptkühler zu einer Kühlergruppe zusammengefasst sind, der gegebenenfalls ein Gebläse zugeordnet ist.
Die Temperaturen der mit zusätzlichen Kühlkreisen zu kühlenden Medien, wie die Ladeluft, das Schmier- oder das Arbeitsmittel eines hydraulischen Flüssigkeitsgetriebes, sollen keineswegs auf einem für alle Medien gleichen Wert gehalten bzw. gekühlt werden, sondern jedem Medium kommt eine Arbeitstemperatur, die in einem bestimmten, vom durchaus unterschiedlichen Bereich liegen soll.
In dem geschlossenen Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine sind zur Vermeidung von Dampfbildung ein den Atmosphärendruck übertreffender Druck aufrecht erhalten und die Arbeitstemperatur des Kühlmittels, meistens Wasser, liegt über dessen Siedetemperatur.
Aufladekompressoren dienen dazu, in die Zylinder der Brennkraftmaschine eine grössere Luftmenge einzubringen. Um dies mit aus Gründen der erforderlichen Antriebsleistung für den Kompressor möglichst niedriger Kompression zu erzielen, muss die komprimierte Luft auf den niedrigst möglichen Wert und zweckmässig auch der Kompressor gekühlt werden. Wird der Aufladekompressor mit Hilfe einer Abgasturbine angetrieben, ist es ratsam, die Abgastemperatur zur Schonung dieser Turbine tunlichst herabzusetzen. Ein auch für diesen Zweck brauchbares Mittel ist das Niedrighalten der Temperatur und dementsprechend das Kühlen der der Brennkraftmaschine zugeführten, verdichteten Brennluft.
Bei vielen Brennkraftmaschinen muss das Schmieröl auf einer Temperatur gekühlt werden, die wohl unterhalb der Temperatur des Kühlwassers liegt, die aber doch nicht zu niedrig ist, damit das Öl nicht zu viskos wird.
Dasselbe gilt für die Arbeitsflüssigkeit hydraulischer Getriebe oder Bremssystem. Auch bei diesen Maschinen oder Maschinenelementen muss die Flüssigkeitstemperatur innerhalb eines bestimmten vorgeschriebenen Bereiches gehalten werden, wenn eine klaglose Funktion gewährleistet sein soll.
Aus diesen Umständen ergibt sich, dass es sich bei der Kühlung von einer Brennkraftmaschine zugeordneten Maschinen oder deren Arbeitsmedien mittels zusätzlicher Kühlkreisläufe nicht nur um eine Herabsetzung von Temperaturen schlechthin, sondern um eine Herstellung bzw. Aufrechterhaltung von Temperaturen innerhalb von keineswegs zusammenfallenden Bereichen handelt.
Im Zusammenhang mit der Ladeluftkühlung von Dieselmotoren für Schienenfahrzeuge (MTZ, Jahrgang 19, Juniheft 1958) ist vorgeschlagen worden, den Kühler des Nebenkreislaufes mit dem Kühler des Hauptkreislaufes (Motor- und Getriebewärme) in einer Kühlergruppe zusammenzufassen, wobei die Wasserkreisläufe getrennt bleiben und die Lüfter dieser Kühlergruppen thermostatisch zu regeln, d. h. ihre
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Drehzahl und damit die Geschwindigkeit der Kühlluft im Kühler dem Wärmeanfall anzupassen. Die Ab- hängigkeiten der Ladeluftwärme von der Motorleistung zeigt jedoch einen durchaus andern Verlauf als die Motorwärme als Funktion der Motorleistung und aus dieser Unterschiedlichkeit der Charakteristiken entspringen Schwierigkeiten für die Regelung des Lüfters.
Bei Regelung nach dem Bedarf der Ladeluft- kühlung wird fast im gesamten Arbeitsbereich der Hauptkühlkreislauf zu wenig gekühlt und im Motor und Getriebe werden die zulässigen Temperaturen überschritten. Erfolgt die Regelung der Lüfterleistung nach dem Bedarf des Hauptkühlkreislaufes, so wird bei höheren Motorenleistungen (85 bis 10 oxo der Ma- ximalleistung) die Ladeluft zu wenig gekühlt und der Motor wird wieder zu warm. Insbesondere für Ab- gasturbinen besteht Überhitzungsgefahr.
Zur Umgehung dieser Schwierigkeiten wird empfohlen, den Anlagen entweder einen Lüfter zuzu- ordnen und diesen abwechselnd vom Haupt- bzw. vom Nebenkreislauf aus zu steuern, wobei der jeweils grössere Kühlbedarf den Ausschlag gibt, oder die Kühlfläche der Anlage gleichmässig auf mehrere Lüf- ter zu verteilen und die Luftführungen voneinander streng zu trennen. Der Ladeluftkühlerkreislauf wird hiebei von einem gesonderten Lüfter gekühlt. wobei dieser Kühler als besonderer Stirnkühler ausgebildet werden kann. Im ersten Fall ist die Steuerschaltung verhältnismässig verwickelt und lediglich auf die
Vermeidung von Überhitzungen, nicht aber für die Einhaltung der richtigen Kühltemperaturbereiche gesorgt.
Im zweiten Falle wird die Anlage komplizierter und auf alle Fälle muss der Lüfter des Ladeluft- kühlkreises gesondert geregelt werden. so dass auch hier wieder eine umständliche Steuereinrichtung er- forderlich ist.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kühlanlage, die von all diesen Nachteilen frei ist und bei möglichst einfachem Aufbau eine wirksame Kühlung der verschiedenen Bestandteile oder Medien, u. zw. auf für deren Funktion zweckmässige Temperaturen gestattet, ohne dass Vorkehrungen zur Regelung eines zwingend notwendigen Lüfters zu treffen wären.
Dieses Ziel lässt sich mit Kühlanlagen der eingangs umrissenen Art erreichen, bei. welchem erfindungsgemäss das Kühlwasser des Hauptkühlkreislaufes in an sich bekannter Weise einem im wesentlichen konstanten, oberhalb des Atmosphärendruckes gehaltenen Druck ausgesetzt ist und der Kühler wenigstens eines der zusätzlichen Kühlkreisläufe. jedenfalls aber der Kühler des Ladeluftkühlkreislaufes in Strömungsrichtung der Luft vor dem Hauptkühler verlegt ist.
Der Aufbau derartiger Kühlanlagen ist einfach, platzsparend und erlaubt zugleich die Erzielung einer hinsichtlich der Temperatur gestaffelten Kühlwirkung, ohne zusätzliche, verteuernde Massnahmen, durch blosse Auswahl der gegenseitigen Anordnung der einzelnen Kühler Die Anwendung eines in vorteilhafter Weise als Gebläse zum Hindurchdrücken der Luft durch die Kühler kann sich in manchen Fäl- len empfehlen, es genügt aber immer ein solches Gerät, an dessen Regelung keine Anforderungen gestellt werden, weil es auf die Aufteilung der Temperaturbereiche keinen primären Einfluss ausübt.
Zu beachten bleibt, dass die verständlicherweise herabgesetzte Wirksamkeit des Hauptkühlers, der nunmehr wenigstens teilweise von Luft umströmt wird, die bereits einen vorgesetzten Kühler passiert hat, sich, soweit sie praktisch ins Gewicht fällt, keineswegs abträglich auswirkt, sondern in durchaus erwünschter Weise einen ausreichenden Druck im Hauptkühlkreis zu erhalten hilft.
Die Erkenntnis der Möglichkeit, eine Kühlanlage aufzubauen, bei der mit der Kühleranordnung eine entsprechende Festlegung der für jedes Kühlmittel notwendigen Temperatur erzielbar ist, entspringt dem bisher ungenutzt gebliebenen Umstand, dass es aus vielen andern Gründen empfehlenswert ist, den Hauptkühlkreis mit überatmosphärischem Druck zu betreiben.
Ist die Kühlanlage der Brennkraftmaschine mit einem Kühlkreis für komprimierte Aufladeluft und einem Kühlkreis für Öl zum Schmieren oder Kühlen oder für das Arbeitsmittel eines hydraulischen Getriebes ausgestattet, so kann von den vor dem Hauptkühler angeordneten Kühlern der beiden zusätzlichen Kühlkreim der Kühler für den Aufladekühlkreis zweckmässig und nach einem Merkmal der Erfindung in Strömungsrichtung vor dem andern Zusatzkühler verlegt sein. Die komprimierte Brennluft wird infolgedessen auf die niedrigste und das Öl bzw. Arbeitsmittel auf eine mittlere Temperatur gekühlt, wie es am zweckmässigsten ist. Der Zusatzkühler für Öl oder ein Arbeitsmittel kann aber auch neben dem Hauptkühler und dieser hinter dem Zusatzkühler für die Ladeluft liegen. Auf diese Weise lässt sich die Kühlwirkung nach andern Gesichtspunkten abstufen.
Insbesondere ist diese Anordnung dann vorteilhaft, wenn der Zusatzkühler für Öl oder das Arbeitsmittel kleiner sein kann als der Zusatzkühler für die Brennluft.
Die Temperatur in den einzelnen Kühlkreisen kann überdies gegenüber den durch die Anordnung der Kühler festgelegten Grenzen in einfacher Weise verlagert werden. Es genügt für diesen Zweck, beispielsweise in den Kühlkreisen Thermofühler von Thermostaten einzubauen, von welchen ein Ventil in
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einem einen Kühler oder Wärmetauscher überbrückenden Nebenschlusskreis gesteuert wird.
Es kann sich empfehlen, in einzelnen oder auch sämtlichen zusätzlichen Kühlkreisen, soweit in diesen Kühlwasser zirkuliert, mit über dem Atmosphärendruck liegenden Drücken zu arbeiten und solche Kühlkreise z. B. geschlossen auszubilden. Im Einklang mit der Erfindung soll in diesem Falle der Kühler des mit niedrigstem Druck arbeitenden Kühlkreises in Strömungsrichtung als erster, der Kühler des mit dem nächst höheren Druck arbeitenden Kühlkreises als zweiter usw. angeordnet sein.
Bei solchen Kühlkreisen empfiehlt es sich, die Druckunterschiede zwischen den Kühlkreisen einschliesslich des Hauptkühlkreiaes annähernd gleich zu bemessen.
Es versteht sich, dass komprimierte Brennluft nicht unmittelbar durch den Kühler des zu ihrer Kühlung bestimmten zusätzlichen Kühlkreises geführt zu werden braucht, was eine druckfeste Ausbildung des Kühlers bedingen würde. In diesem Falle ist es vielmehr zweckmässig, die von dem Aufladekompretso : geförderte Druckluft durch den einen Strömungsweg eines Wärmetauschers zu leiten, dessen anderer,
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der den Kühler enthält.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand beispielsweise Ausführungsformen näher erläutert, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. In diesen zeigen Fig. 1 einen Schaltkreis einer erfindungsgemäBen Kühlanlage, Fig. 2 den Schaltkreis einer andern Ausführungsform einer Kühlanlage und die Fig. 3 und 4 in schematisierter Darstellung je eine Auslegung des Kühlersystems.
Bei der in Fig. l veranschaulichten Kühlanlage ist ein Hauptkühlkreis vorgesehen, bei welchem von dem Wassermantel einer Brennkraftmaschine --1-- eine Leitung --2-- zum oben liegenden Einlass eines Hauptkühlers --3-- ausgeht, von an dessen unten angeordnetem Auslass eine Leitung-4--zum Eingang einer Pumpe--P--führt und von deren Ausgang über eine Leitung --101-- das Kuhlwasser in den Wassermantel eingespeist wird. Der Hauptkühler ist mit einer Leitung --102-- übezbrückt,in die ein in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur am Pumpeneingang --s-- steuerbares Absperr- bzw. Drosselorgan--103--geschaltetist.
Die Zuführungsleitung-101-ist längs eines Abschnittes als der eine Strömungsweg eines Wärmeaustauscher --105-- ausgebildet, der einen Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmittel, z. B. Öl, einer hydrodynamischen Übertragungseinheit --106-- beliebiger Bauartermöglicht, die mit der Welle der Brennkraftmaschine gekuppelt ist. Das Öl aus der Einheit --106-- wird dem Wärmeaustauscher --105-- über eine Leitung --107-- zugeleitet und über eine Leitung --108-- zu der Einheit --106-- zurückgeführt, während das Wasser aus dem Wärmeaustauscher --105-- über eine Leitung-109-- dem Kühlmantel zu- fliesst.
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primierte Luft in die Lufteingangsleitung --115-- der Maschine über einen Wärmeaustauscher --116-abgibt.
Der Kühlwasserkreis des zur Abfuhr der Kompressionswärme bestimmten Wärmeaustauschers -116-- enthält einen Kühler --118--, der vor dem Hauptkühler-3-- angeordnet ist und die gleiche wirksame Querschnittsfläche wie dieser aufweist, so dass der durch ein Gebläse --100-- geförderte, durch beide Kühler hindurchgedrückte Luftstrom zuerst den Zusatzkühler und dann den von höher temperiertem Kühlwasser durchflossenen Hauptkühler durchsetzt.
Der Kühlwasserkreis für den Kühler-118-ist für einen Betrieb in einem verhältnismässig niedrigen Temperaturbereich und bei gewöhnlichem Aussendruck gebaut. Dieser Kreis enthält einen über eine Leitung --122-- mit der Oberseite des Kühlers --118-- verbundenen Wasserbehälter --121--. Der Kühlwasserausgang an der Unterseite des Kühlers --118-- ist über eine Leitung --123-- mit dem Eingang einer Pumpe--PI--verbunden, die das Wasser über eine Leitung --124-- dem Wärmeaustauscher --116-zuführt, aus dem es über eine Leitung --125-- einem die Schmiermittel kühlenden Wärmeaustauscher --126-- und über eine Leitung --127-- zu dem oben gelegenen Anschluss des Zusatzkühlers --118-zurückgeführt wird.
Eine Leitung --131-- dient zum Zuführen des Schmieröls der Maschine zum Wärmeaustauscher-126--, eine Leitung --132-- zur Rückführung des gekühlten Öls zur Maschine. Eine von der Wasserrückftihrleitung --125-- abgezweigte Leitung --135-- umgeht den Wärmeaustauscher-126- und enthält ein thermostatisch steuerbares Ventil-134-od. dgl., so dass die Temperatur am Wasserausgang des Wärmeaustauschers einregelbar ist.
Die nachfolgenden, beispielsweisen Zahlenangaben beziehen sich auf eine praktische und mit Erfolg betriebene Realisierung der soeben beschriebenen Ausführungsform.
Die mittels der Gesamtanlage abzuführenden Wärmemengen betrugen pro Stunde beim Maschinen-
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kühlwasser 30 ca1/PS, beim Turbokompressor-Kühlwasser 50 cal/PS, beim Maschinen-Ölkühlwasser 30 cal/PS und beim Kühlwasser für das Öl der hydraulischen Übertragungseinrichtung 100 cal/PS. Es wurde verlangt, dass die Wassertemperaturen in den verschiedenen Kreisen die nachstehenden Höchstwerte nicht übersteigen dürfen,nämlich im Maschinen-Kühlkre is 115 C, im Maschinenöl-Kühlkreis 80 C und im Kühlkreis für das Öl der hydraulischen Übertragung 100 C. Im Turbokompressor-Kühlkreis sollte die Temperatur so niedrig wie möglich sein.
Aus den vorstehenden Zahlen geht hervor, dass die im Zusatzkühler --118-- pro Stunde und PS abzuführende Wärmemenge 50 + 30 = 80 cal/PS und die in dem Hauptkühler-3-abzuführende Wärme- menge 300 + 100 = 400 cal/PS beträgt.
Wenn man die maximale Temperatur der Aussenluft mit t, die Lufttemperatur am Ausgang des Zusatzkühlers --118-- und am Eingang des Hauptkühlers-3-mit und die Lufttemperatur am Aus-
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die in den zusätzlichen Kühlkreisen für die verdichtete Brennluft, für das Öl der hydraulischen Übertragungseinrichtung und im Kühlkreis für die Brennkraftmaschine liegen. Die z. B. wabenförmigen Bauteile der drei Kühler sind in der dargestellten Reihenfolge (Fig. 3) hintereinander so angeordnet, dass sie von einem gemeinsamen Luftstrom durchsetzt werden.
Der von einem Gebläse --100-- erzeugte Luftstrom umspielt als ersten den Küchler in dem Kühlkreis für die verdichtete Luft, als nächsten den Kühler --141-- für das Öl der hydraulischen Übertragungseinrichtung und als letzten den Hauptküh- ler-3-.
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