-
Regelung der Kühlmitteltemperatur von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Regelung der Kühlmitteltemperatur von flüssigkeitsgekühlten
Brennkraftmaschinen, die nach dem Diesel- oder Ottoverfahren arbeiten. Es handelt
sich hier um eine Regelung durch Beeinflussen eines die Kühlmitteltemperatur steuernden
Organs durch einen Temperaturfühler.
-
Arbeitet beispielsweise ein bestimmter Motor unter hochsommerlicher
Hitze, etwa bei -f-35° C Außentemperatur, und das andere Mal bei gleicher Last und
gleicher Drehzahl im Winter bei -30°C Außentemperatur, dann wird das Temperaturniveau
der Maschine trotz gleicher Bedingungen hinsichtlich Last (Nutzdrehmoment) und Drehzahl
der Maschine im Winter wesentlich niedriger sein als im Sommer An sich müßte daher
mit einer höheren Kühlmittelablauftemperatur gefahren werden.
-
Das Temperaturniveau der Brennkraftmaschine ist des weiteren in starkem
Ausmaß von der Drehzahl der Maschine abhängig, so daß beispielsweise bei einer konstanten
Drosselklappenstellung im Ansaugsystem eines Otto-Vergasermotors mit abnehmender
Motordrehzahl wegen des dabei auftretenden abnehmenden Temperaturniveaus des Motors
die Kühlmittelablauftemperatur wiederum erhöht werden müßte.
-
In diesem Zusammenhang ist eine Vorrichtung zum Regeln der Kühlmittel-
bzw. Wandungstemperatur unter Anwendung eines Rückkühlers bei einer Brennkraftmaschine
bekanntgeworden, bei der die Grundstellung eines die Temperatur regelnden Organs,
beispielsweise eines den Kühlmittelumlauf regelnden Thermostaten, in Abhängigkeit
von der Maschinenbelastung verstellt wird. Das erfolgt im wesentlichen derart, daß
das Regelorgan bei höherer Belastung auf eine niedrigere Temperatur einregelt als
bei niedrigerer Maschinenbelastung. Dies wirkt sich noch dahin gehend aus, daß durch
die Temperaturregelung des Kühlmittels auch die Maschinentemperatur mit abnehmender
Belastung der Maschine zunimmt und umgekehrt mit zunehmender Belastung der Maschine
abnimmt. Da die bekannte Maschine im Winter ein niedrigeres Temperaturniveau annimmt
(beispielsweise nimmt die Temperatur der Brennraumwandung ab) als bei Betrieb im
Sommer, ist die bekannte Regeleinrichtung nicht in der Lage, die Temperatur der
Umgebung zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird hier bei plötzlicher voller Belastung
der Maschine im Fall ihres kalten Zustandes eine hier vorgesehene Kurzschlußleitung
des Kühlmittels gedrosselt und gleichzeitig der Zulauf des Kühlmittels zum Rückkühler
geöffnet, obwohl die Maschine noch längst nicht ihr Temperaturniveau angenommen
hat. Es wird dadurch die Zeit bis zum Erreichen einer für die Maschine günstigsten
Betriebstemperatur unnötig verlängert.
-
Die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen ist insofern bekannt, als
bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine eine selbsttätige Regelung der
Kühlmitteltemperatur zusätzlich in Abhängigkeit von der Außentemperatur, d. h. von
der Umgebungstemperatur derart durchgeführt wird, daß ein aus einem Doppelbalg bestehender
Flüssigkeitsthermostat verwendet wird. Hierbei dient der erste Balg zum Regeln des
Kühlmittelumlaufs in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, während der zweite
Balg auf die Umgebungstemperatur anspricht und die Grundstellung des ersten Thermostaten
steuert. Dabei ist die Verstellflüssigkeit des zweiten Thermostatenbalges über eine
Rohrleitung in eine dem Einfluß der Umgebungstemperatur ausgesetzten Birne geleitet,
so daß von hier aus der zweite Balg verstellt wird. Außerdem wird die Motortemperatur
nur indirekt, d. h. über den Umweg der Berücksichtigung der Kühlmitteltemperatur
in den Regelvorgang mit einbezogen. Diese Einrichtung ist demnach sehr aufwendig.
-
Des weiteren ist eine Regeleinrichtung für eine flüssigkeitsgekühlte
gemischverdichtende Einspritzbrennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
bekanntgeworden, bei der das Kraftstoff-Luft-Verhältnis mit Hilfe eines auf die
Temperatur eines Hilfskreislaufsystems ansprechenden Thermostaten geregelt wird.
Soweit es sich hier um die Regelung der Kühlmitteltemperatur handelt, erfolgt dieselbe
hauptsächlich im Sinne einer Konstanthaltung der Kühlmitteltemperatur, was sich
indirekt auch bis zu einem gewissen Grad auf eine Konstanthaltung der Maschinentemperatur
auswirkt. Außerdem wird bei der
bekannten Regeleinrichtung auch
die Temperatur der Umgebung durch Messen der Ansauglufttemperatur berücksichtigt.
Auf der anderen Seite weist diese Regeleinrichtung jedoch den Nachteil auf, daß
hier die Drehzahl der Maschine nicht berücksichtigt wird.
-
Es ist auch noch eine, wenn auch nach dem Ottoverfahren arbeitende
flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit Einspritzung des Kraftstoffes im Verdichtungshub
bekanntgeworden. Diese Maschine enthält eine Einrichtung zum Regeln der Kühlmitteltemperatur,
und zwar in Abhängigkeit von dem sich hinter der im Ansaugrohr der Maschine angeordneten
Drosselklappe einstellenden Unterdruck geregelten Kühlmittelzulauf zum Rückkühler.
Außerdem liegt hier im Nebenstrom zu der zum Rückkühler führenden Kühlmittelhauptleitung
eine Leitung mit einem darin angeordneten Thermostaten, durch den die zurückzuführende
Kühlmittelmenge auch noch proportional der Belastung der Maschine geregelt wird.
-
Schließlich ist es auch bekanntgeworden, die Temperatur einer allerdings
luftgekühlten Brennkraftmaschine durch einen Temperaturfühler zu messen, der in
einem unmittelbar den Verbrennungsgasen ausgesetzten Bauteil der Maschine angeordnet
ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einerseits eine direkte Regelung, und
zwar in direkter Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkraftmaschine zu erreichen
und andererseits die Ansprechgeschwindigkeit der Temperaturregelung gegenüber den
bisherigen Methoden zu vergrößern.
-
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Temperaturfühler
in an sich bekannter Weise in einem unmittelbar den Verbrennungsgasen ausgesetzten
Bauteil der Maschine angeordnet ist und daß die Kühlmitteltemperatur so geregelt
wird, daß eine vorbestimmte Temperatur des den Temperaturfühler enthaltenden Bauteils
im wesentlichen eingehalten wird. Dabei erfolgt die Beeinflussung des Kühlmittelumlaufs
durch den Temperaturfühler in der üblichen Weise.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, insbesondere
bei ungünstigen Umgebungsbedingungen, daß zusätzlich zu der üblichen Beeinflussung
des Kühlmittelumlaufs durch den Temperaturfühler ein an sich bekannter Kühlerventilator
mit stufenloser, beispielsweise mittels Drehzahländerung bzw. saug- oder druckseitiger
Drosselung bewirkter Regelung seiner Liefermenge und/oder eine ebenfalls bereits
bekannte regulierbare Abdeckung des Kühlers, z. B. mittels einer Jalousie, sowie
sonstige an sich bekannte Anlageteile, die ebenfalls zum Warmhalten der Brennkraftmaschine
dienen, von denn Temperaturfühler beeinfiußt sind.
-
Durch die erfindungsgemäße Regelung lassen sich für eine Brennkraftmaschine
im Beharrungszustand im gesamten Drehzahlbereich bei Teillast ins Gewicht fallende
Verbesserungen der Kraftstoffausnutzung erzielen. Weiterhin läßt sich die durch
den effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauch gekennzeichnete Kraftstoffausnutzung
auch merklich im oberen Lastbereich und sogar selbst bei Vollast verbessern, sofern
die Drehzahl genügend weit unterhalb der Höchstdrehzahl liegt. Diese Verbesserungen
sind um so größer, je geringer bei einer bestimmten Drehzahl die Belastung der Brennkraftmaschine
ist und je kleiner bei einer vorgegebenen Belastung die Drehzahl ist. Die erzielte
Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs beruht hauptsächlich darauf,
daß bei der erfindungsgemäßen Regelung nicht nur die Brennraumwandungsverluste kleiner,
sondern auch durch eine Anhebung des Temperaturniveaus der Brennkrafimaschine die
Gemischbildung sowie die Zündung und Verbrennung in den oben angeführten Betriebszuständen
günstig beeinflußt werden.
-
Die erfindungsgemäße Art der Regelung bedingt eine oft erwünschte
Anhebung der Abgastemperaturen im Teillastgebiet (erwünscht z. B. bei Betrieb mit
Abgasturboladern oder mit nachgeschalteten abgasbeheizten Wärmetauschern), da diese
Regelung eine Verschiebung der Wärmebilanz der Brennkraftmaschine in der Richtung
hervorruft, daß die anteilige Kühlmittelwärme zugunsten der anteiligen fühlbaren
Abgaswärme verringert wird, sobald die Kühlmittelablauftemperatur über der, wie
sie beim normalen Kühlverfahren eingehalten wird, zu liegen kommt.
-
Auch bei instationären Betriebszuständen erweist sich die erfindungsgemäße
Regelung als vorteilhaft. Beispielsweise im intermittierenden Betrieb, bei dem die
teilbelastete und deshalb mit einer erhöhten Kühlmittelablauftemperatur arbeitende
Brennkraftmaschine eine gewisse Zeit lang auf Leerlauf gestellt wird, ergibt sich
nicht nur eine Verbesserung des Leerlaufverbrauchs gegenüber einer Betriebsweise
mit herkömmlichen Regelungen, sondern die vergleichsweise wesentlich langsamere
Abkühlung der Maschine bewirkt außerdem, daß auch im Fall einer neuerlichen Belastung
der Maschine der Erwärmungsvorgang beschleunigt wird, was sehr erwünscht ist, da
außer einer Kraftstoffersparnis dann vor allem der »Taubereich« schneller durchfahren
wird, d. h., der Betriebszustand, bei dem die Zylinderwandtemperatur unter dem Taupunkt
des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wasserdampfes liegt und sich deshalb, insbesondere
im oberen Zylinderteil, ein korrodierender Kondensatf lm niederschlägt, wird rascher
überwunden. Es kann in bestimmten Fällen sogar damit gerechnet werden, daß durch
die Regelung gemäß der Erfindung der Taubereich im Gegensatz zu herkömmlichen Regelungsarten
gar nicht erst erreicht wird. In dieser Beziehung wirkt sich eine Kombination der
Regelung gemäß der Erfindung mit einer bereits vorgeschlagenen Methode der regelbaren
Anpassung der Drehzahl des Kühlerventilators an den Wärmezustand der Brennkraftmaschine
bzw. eine Kombination mit der bereits angewendeten regulierbaren Abdeckung des Kühlers
durch eine Jalousie vorteilhaft aus, da diese Maßnahmen die Warmhaltung des Motors
begünstigen.
-
Auch bei intermittierender Betriebsweise mit völliger Abstellung der
vorher nur teilbelasteten und deshalb gemäß einem Merkmal der Erfindung mit Heißkühlung
gefahrenen Maschine wird ebenfalls ihre Auskühlung verzögert, so daß sich dann beim
Wiederinbetriebsetzen ähnliche Vorteile ergeben können wie bei der nur vorübergehend
auf Leerlauf gestellten Maschine.
-
Als Kühlmittel können Wasser oder vorzugsweise bekannte flüssige Kühlmittel
mit einem gegenüber Wasser wesentlich höheren Siedepunkt, sogenannte Heißkühlmittel,
wie beispielsweise ?ithylenglykol, sowie auch geeignete Kühlerfrostschutzmittel
Anwendung finden. Wird als Kühlmittel Wasser benutzt, so muß die Kühlung zwecks
Erzielung von Ablauftemperaturen über 100° E als Druckkühlung betrieben werden.
Hierbei befindet sich --- wie ebenfalls bekannt
- das Kühlwasser
je nach der gewünschten Höhe der Kühlmittelablauftemperatur unter einem entsprechend
erhöhten Spannungszustand im Kühlsystem.
-
Die Anwendung der Erfindung bei Brennkraftmaschinen mit Selbst- oder
Fremdzündung und mit einem im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten Brennraum, bei
denen der flüssige Kraftstoff in an sich bekannter Weise zu seinem größten Teil
an die Brennraumwand angelagert wird, hat den zusätzlichen Vorteil, daß im Vergleich
zu herkömmlichen Regelverfahren in einem großen Betriebsbereich ein größerer Teil
der zur thermischen Aufbereitung des eingespritzten flüssigen Kraftstoffes benötigten
Wärme von der in der Brennraumwand gespeicherten Wärme, deren Betrag durch die mit
der Regelungsart gemäß der Erfindung fast im gesamten Betriebsbereich verbundene
Anhebung des Temperaturniveaus vergrößert wird, gedeckt werden kann. Von ganz besonderer
Bedeutung ist dieser Umstand für die vorstehend gekennzeichnete Art von Brennkraftmaschinen,
wenn sie mit flüssigen Kraftstoffen 'mit einer sehr hohen Erzeugungswärme (Flüssigkeitswärme
und latente Verdampfungswärme) oder mit Kraftstoff-Wasser-Emulsionen bzw. Lösungen
hohen Wassergehaltes betrieben werden. Außerdem begünstigt die Anwendung der Erfindung
bei Brennkraftmaschinen mit bewußter Anlagerung des Kraftstoffes an die Brennraumwand
die Gemischbildung im Teillastgebiet, insbesondere im unteren Lastbereich, da der
flüssige Kraftstoff infolge der höheren Wandtemperatur besser von der Brennraumwand
aufdampfen kann.
-
Durch die erfindungsgemäße Regelung werden auch die Vielstoffeigenschaften
von Dieselbrennkraftmaschinen erweitert. Das hat nicht nur Bedeutung für die spezielle
Entwicklung derartiger Brennkraftmaschinen, sondern vor allem für die Lösung des
Problems, vorhandene herkömmliche Dieselbrennkraftmaschinen nachträglich für einen
Wechselbetrieb mit zündwilligen Kraftstoffen einerseits und mit zündunwilligen und
deshalb in diesen Brennkraftmaschinen normalerweise nicht verwendbaren Kraftstoffen,
wie z. B. hochklopffesten Superbenzinen, andererseits geeignet zu machen.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
in den F i g. 1 bis 3 schematisch dargestellt.
-
F i g. 1 zeigt das Schema eines Ausführungsbeispiels, bei dem das
Regelungsproblem dadurch gelöst ist, daß in der von der Brennkraftmaschine 1 zum
Kühler 2 führenden Kühlmittelabflußleitung 3 ein an sich bekanntes wärmeempfindliches
Steuerglied 4 (Thermostat) mit einer Verstellmöglichkeit der Öffnungstemperatur
mit Hilfe bekannter Regelungsanlageteile in der Weise gesteuert wird, daß mit abnehmendem
Wärmezustand der Brennkraftmaschine, also mit fallender Last und Drehzahl, die Öffnungstemperatur
des Thermostaten erhöht wird, so daß bei Entlastung und/oder Drehzahlherabsetzung
die Abflußleitung 3 zum Kühler 2, dem bei 5 bzw. 6 ein wärmeaufnehmendes Medium
zur Abkühlung des Brennkraftmaschinenkühlmittels zu- bzw. abströmt und von dem die
Abflußleitung 7 zur Pumpe 8 für das Brennkraftmaschinenkühlmittel führt, so lange
abgesperrt wird, bis das Brennkraftmaschinenkühlmittel in 4 die dem verringerten
Wärmezustand der Brennkraftmaschine zugeordnete Solltemperatur innerhalb eines gewissen
Toleranz-Bereiches erreicht hat. Bis zu diesem Zeitpunkt gelangt das Kühlmittel
vom Thermostaten 4 durch die Kurzschlußleitung 9 unter Umgehung des Kühlers 2 zur
Saugseite der trennkraftmaschinenkühlmittelpumpe 8 und wird von dieser über die
Zuflußleitüng 10 in die Kühlmittelräume der Brennkraftrilaschine 1 gedrückt.
Wird ein Thermostat ohne Kurzschlußleiteng verwendet, dann stagniert im wesentlichen
das Kühlmittel bis zum öffnungszeitpunkt des Thermostaten im Kühlmantel der Brennkraftmaschine.
Der last- und drehzahlabhängige Wärmezustand der durch die angetriebene Maschine
11 belasteten Brennkraftmasehine 1 wird im gewählten Ausführungsbeispiel durch einen
handelsüblichen Wärmefühler 12 ermittelt, der die Temperatur der Brennkraftmaschine
an einer hierfür geeigneten Stelle mißt. In Abhängigkeit von der Temperatur dieses
den Regelimpuls liefernden Wärmefühlers wird dann direkt oder gegebenenfalls mit
Hilfe geeigneter und bekannter Verstärkervorrichtungen die öffnungstemperatur des
Thermostaten in der erwünschten Weise verstellt.
-
Diese Regelung der Thermostatöffnungstemperatur direkt in Abhängigkeit
vorn Wärmezustand der Brennkraftmaschine besitzt den Vorzug, daß im Gegensatz zu
einer Regelungsart, bei der die Therniostatöffnungstemperatur nur indirekt vom Wärmezustand
der Brennkraftmaschine gesteuert wird, auch die den Wärmezustand der Brennkraftmaschine
beeinflussenden Umgebungsbedingungen weitgehend mit in den Regelungsvorgang einbezogen
werden.
-
Soll eine sehr weitgehende Annäherung an einen optimalen Wärmezustand
der Brennkraftmaschiiie auch bei sehr ungünstigen Umgebungsbedingungen und bei einer
sehr geringen thermischen Belastung der Brenrikraftmaschine erreicht werden, so
ist es vorteilhaft, noch zusätzlich zu der üblichen $eeinflussung des Kühlmittelumlaufs
durch den Temperaturfühler an sich bekannte Anlageteile vorzusehen, die die Warmhaltung
der Brennkraftmaschine, insbesondere bei den genannten extremen Betriebsbedingungen
begünstigen, wie beispielsweise ein in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur
oder anderen Betriebsfunktionen elektromagnetisch, hydraulisch, pneumatisch oder
in mechanischer Weise geregelter Antrieb des Kühlerventilators.
-
In F i g. 2 ist in einer vereinfachten Schemadarstellung ein diesbezügliches
Ausführungsbeispiel wiedergegeben. Hier ist eine Kühlmittelanlage nach F i g. 1
kombiniert mit einer an sich bekannten Kühlerventilatoranlage, bei der der Antrieb
des durch die Nebenwelle 17 mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen
Kühlerventilators 19 über eine Flüssigkeitsschlupfkupplung 18 mit regelbarer Füllung
erfolgt. Hierdurch kann die Drehzahl des Kühlerventilators stufenlos geregelt und
damit die Kühlluftlieferung dem jeweiligen Bedarf angepaßt werden. In diesem Ausführungsbeispiel
wird das im einzelnen dadurch erreicht, daß das in der Kupplungsflüssigkeits-Zulaufleitung
24 befindliche Absperrorgan 23 in Abhängigkeit von der Öffnungsstellung
des im eigentlichen Kühlmittelkreislauf befindlichen Thermostaten 4 betätigt
wird, und zwar in dem Sinne, daß mit einem geringer werdenden Hauptdurchflußquerschnitt
des Thermostaten 4 mit Hilfe des Kettenrades 20, dessen Verdrehung
der Öffnungsstellung des Thermostaten 4 zugeordnet ist, der Kette 21 und des auf
der Spindel des Absperrorgans 23 befestigten Kettenrades 22 das
Absperrorgan
23 sich immer mehr schließt, so daß die mit der Kupplungsflüssigkeits-Abflußleitung
25 in Verbindung stehende Füllung der Flüssigkeitsschlupfkupplung 18 und damit auch
die Drehzahl des Kühlerventilators 19 abnimmt. Die Anlage wirkt im umgekehrten Sinne,
wenn sich der Hauptdurchflußquerschnitt des Thermostaten 4 vergrößert. Die Bedeutung
und Funktion der übrigen Anlageteile der F i g. 2 entsprechen denen der F i g. 1.
-
An Stelle der Drehzahlregelung des Kühlerventilators oder zusätzlich
zu dieser können auch noch andere bekannte Mittel zum Warmhalten der Brennkraftmaschine
in Kombination mit der Kühlmittelanlage angewendet werden, wie z. B. eine automatisch
verstellbare Kühlerjalousie. Die beispielsweise Lösung einer derartigen Kombination
geht aus F i g. 3 hervor. Zugrunde gelegt wird wiederum eine Kühlmittelanlage nach
F i g. 1. Zur zusätzlichen Warmwaltung der Brennkraftmaschine dient eine - in der
Kühlluftströmungsrichtung 30 gesehen -vor dem Kühler 2 liegende Klappjalousie
29, die in Abhängigkeit von der Öffnungsstellung des im eigentlichen Kühlmittelkreislauf
@ befindlichen Thermostaten 4 mit Hilfe des Betätigungshebels 26 - dessen Stellung
abhängig von der Öffnungsstellung des Thermostaten 4 ist - sowie der Stange 27 und
des Steuergliedes 28 für die Klappjalousie 29 betätigt wird.
-
Die Regelung des Durchströmquerschnittes der Kühlerjalousie 29 erfolgt
in der Weise, daß bei sich schließendem Thermostaten 4 sich auch die Klappjalousie
29 in passender Weise immer mehr schließt. Bei vollständig geschlossenem Thermostaten
4 befindet sich die Klappjalousie 29 in dem in F i g. 3 dargestellten geschlossenen
Zustand.
-
Die noch nicht erläuterten Anlageteile der F i g. 3 entsprechen wiederum
denen der F i g. 1.