DE1601440A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Kuehlfluessigkeit von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Bremen, d„ 22-. Juli 1967

Sch/Schl

6.7,136 Sommerfeldt/T-Gef alle

Verfahren, und Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Kühlflüssigkeit von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Kühlflüssigkeit von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen und mit Zwangsumwälzung der Kühlflüssigkeit durch eine umwälzpumpe„

Es ist bekannt, am Ausgang des Motorkühlsystems den Strömungswiderstand durch eine von der Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit gesteuerte Drosseleinrichtung so zu beeinflussen, daß unabhängig von der jeweiligen Motorleistung eine Austrittstemperatur von beispielsweise 80 C aufrechterhalten wird» Mit der Einstellung des Drosselwiderstandes ist ferner eine Verteilereinrichtung gekoppelt, die einen Teil der Kühlflüssigkeit über einen luftgekühlten Wärmeaustauscher zur Rückkühlung und den anderen Teil der Kühlflüssigkeit über einen Nebenfluß zum Rückkühler unmittelbar zum Motor zurückführte Diese bekannte Art der Regelung hat den Nachteil, daß die Eintrittstemperatur des Kühlmittels in das Kühlsystem des Motors in Abhängigkeit von den schwankenden Betriebsverhältnissen starken Schwankungen unterworfen ist, die bei extremen Anforderungen, insbesondere bei sehr tiefer oder sehr hoher Außentemperatur und bei plötzlichem Wechsel der Motor-

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leistung dazu führen, daß der große Bereich nicht mehr ausgeregelt werden kann und dadurch zu hohe oder zu tiefe Kühlmitteltemperatur en auftreten,, Dadurch vergrößert sich der Brennstoffverbrauch, es ergibt sich starke Rußbildung in den Abgasen mit entsprechenden Luftverunreinigungen und eine Beeinträchtigung der Betriebsbedingungen mit Leistungsminderungen und erhöhtem Verschleiß, insbesondere an Laufbuchsen, Kolbenringen und Lagern,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil der bekannten Kühlsysteme für Brennkraftmaschinen zu vermeiden„

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß die Wärmeübertragungen sowohl im Motorkühlsystem als auch im Rückkühlsystem des Kühlers unmittelbar von den Durchflußmengen im Mo tor kühlsystem und im Rückkühler abhängig sind« Eine gute Motorkühlung setzt aber eine im wesentlichen gleichbleibende Temperatur des Kühlmittels etwa zwischen 70° und 80^ voraus_β Um diesen Temperaturbereich weder nach oben noch nach unten zu überschreiten, ist es wichtig, sowohl die Austrittstemperatur als auch die Eintrittstemperatur für das Motorkühlsystem unabhängig voneinander zu regeln»

Ausgehend von dieser Überlegung werden erfindungsgemäß die Kühlflüssigkeits-Durchflußmengen im Motor und Kühler unabhängig voneinander so geregelt, daß eine vorgegebene Eingangstemperatur

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und Ausgangstemperatur der Kühlflüssigkeit am Motor aufrechterhalten werden,, Dabei kann die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit in einem der beiden Austauschsysteme, z.B. im Motor oder im Rückkühler durch Einstellung eines Drosselwiderstandes oder der Pumpenfördermenge geregelt werden, während die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit im anderen Wärmeaustauschsystem durch. Teilung der Pumpenfördermenge über den Rückkühler oder den Motor und einen Nebenschluß zum Rückkühler oder Motor geregelt wird*

Eine Regelung der Durchflußmenge durch Teilung läßt sich für beide Wärmeaustauschsysteme, sowohl den Motor als auch den Rückkühler anwenden, ohne daß störende gegenseitige Beeinflussungen auftreten«

Zur Durchführung des Verfahrens ist es lediglich erforderlich, voneinander unabhängige Regelvorrichtungen für die Kühlflüssigkeit s-Durchflußmengen im Motor und Kühler mit Steuereinrichtung zur Konstanthaltung der Ein- und Ausgangstemperatur der Kühlflüssigkeit am Motor vorzusehen. Eine derartige Einrichtung sichert für alle, auch extreme Betriebsverhältnisse die Einhaltung der gewünschten Temperatur des Kühlmittels im Motor und gewährleistet damit optimale Betriebsbedingungen über den gesamten Regelbereich,

In der Zeichnung ist die Erfindung an einigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht,,

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Fig„ 1 zeigt in se hem at !.scher Darstellung das Kühlsystem eines FahrzeugverbrennungsmotQrs in herkömmlicher Anordnung,

Fig«. 2._r Kühlsysterne nach der Erfindung in. verschiedenen

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Die in der Zeichnung dargestellten Kühlsysteme arbeiten alle mit einem geschlossenen Kühlwasserkreislauf mit Zwangsum— wälzung durch eine Umwälzpumpe P₀ In allen Ausführungsfarmen wird die gesamte Kühlwassermenge durch die Umwälzpumpe P durch das Kühlsystem -des Motors M gedrückt« Dem Kühler K zur Rückkühlung des Kühlwassers ist dagegen eine Verteileinrichtung zugeordnet, durch welche ein Teil des Kühlwassers über einen Nebenschluß d bzw, b zum Kühler K geführt wird, so daß nur ein mehr oder weniger großer Teil der Gesamtkühlwassermenge über den Kühler K fließt und der Rückkühlung unterworfen wird ο

Die Erfindung hat besondere Bedeutung für den Kraftfahrzeugbetrieb, weil bei diesem extrem hohe Anforderungen an die Kühlwasser-Regelung gestellt werden. Der Kreislauf des Kühlwassers im Kraftfahrzeug besteht im allgemeinen aus dem Kühlsystem des Motors M, dem luftgekühlten Rückkühler K, einem Lüfter L für die Luftströmung im Rückkühler K, der Kühlwasserumwälzpumpe P und einer selbsttätig arbeitenden Regeleinrichtung für die Umwälzwassermengen W„ und ¥„ für Motor M und Rückkühler K₀

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Die Umwälzpumpe P läuft in. der Regel drehzahlabhängig mit der Maschine und wird nicht geregelt „ Im Kühlsystem des Motors M nimmt das Kühlwasser Wärme auf, so daß das kühlwasser, das mit einer Temperatur t„ in das Motorkühlsystem eintritt, mit einer höheren Temperatur t. austritt« An der Austritts— seite der Maschine befindet sich bei der herkömmlichen Anordnung (FIg, i) ein Regler R, der dazu bestimmt wird, die Kühlwasseraustrittstemperatur t* möglichst !constant j ζ „Β. auf 8O°C zu halten« .

Die Regelung sowohl der Austrittstemperatur t_A als auch der Eintrittstemperatur t_ ist in allen dargestellten Ausführungsformen eine Mengenregelung, d₀h_o eine Regelung der durch das Wärmeaustauschsystem des Motors M bzw» des Kühlers K fließenden Kühlwassermenge W_M bzw. W^.-

Der Regler R arbeitet zur Regelung der Kühlwassermenge ¥_M mit einer Drosselung des Kühlmittelstromes in der Austrittsleitung durch ein Drosselorgan D, während zur Regelung der Kühlwassermenge "W^ im Kühler K ein Verteilerventil T vorgesehen ist, das in der Zuleitung a zum Kühler liegt und dem eine Webenschlußleitung d zugeordnet ist, welche zwischen dem Drosselorgan D und dem Verteilerventil T an die Rüclclaufleitung und zwischen Austrittsseite des Kühlers K und Umwälzpumpe P an die Vorlaufleitung angeschlossen ist„

Der gemeinsame Impuls für die Einstellung des aus dem Drosselorgan D und dem Verteilerventil T bestehenden Reglers R wird

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mit Hilfe eines Temperaturfühlers F von der Austrittstemperatur t. des Motorkühlsystems abgeleitete

Ein Teil ¥„ der Kühlwassermenge fließt über die Nebenschluß leitung d ungekühlt, d_oh_o mit der Austrittstemperatur t. zum Vorlauf, während ein anderer, durch den Öffnungsgrad des Verteilerventils T bestimmter Teil der Kühlwassermenge im Kühler K auf eine tiefere Temperatur t„ abgekühlt und über den Vorlauf der Pumpe zugeführt wird. An der Eintrittsstelle der Nebenschlußleitung d in den Vorlauf c findet eine Mischung der beiden Kühlwassermengen W^. und W_n, der über den Nebenschluß fließenden Kühlwassermenge mit den Temperaturen t„ und t. statt, die zu einer Mischtemperatur t der zur Umwätepumpe P führenden Gesamtkühlwassermenge führt.

Das Kühlsystem wird in der Regel für die höchste Beanspruchung bei voller Maschinenleistung und bei höchsten Außenluft— temperaturen ausgelegt« Sowohl die Kühlwasserpumpe P als auch der Lüfter L laufen im allgemeinen drehzahlabhängig, doho in Abhängigkeit von der Tourenzahl des Motors M und werden im übrigen nicht geregelte Bei sehr tiefen Außenlufttemperaturen im Winter stellen sich im Kühlwasserkreislauf im Mittel entsprechend tiefere Temperaturen ein, weil bei dem herkömmlichen Kühlsystem nach Fig_o 1 der Regler R am Austritt der Maschine M als alleiniges Regelorgan einen so großen Bereich zwischen kalter und warmer Jahreszeit nicht ausregeln kann_o Für einen geordneten Betrieb ist jedoch eine

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völlig gleichmäßige -und eine bestimmte, vorgegebene Kühlwassertemperatur für alle Belastungszustände innerhalb der Maschine erforderliche Sowohl zu tiefe als auch zu hohe Kühlwassertemperaturen haben Leistungsminderungen zur Folge und verursachen einen unzulässig hohen Verschleiß am Laufzeug der Maschine» Um diese Forderung zu erfüllen, werden die Kühler vielfach bei tieferen Außentemperaturen durch eine Jalousie ganz oder teilweise abgedeckt. Die Abdeckung kann von Hand oder auch durch automatisch arbeitende Regelvorrichtungen erfolgen. Diese Abdeck-Vorrichtungen sind jedoch störanfällig und führen außerdem nicht zu einer befriedigenden Regelung» Die im folgenden beschriebenen Kühlsysteme nach der Erfindung lassen deshalb die ¥ärmeaustauschsysteme von Motor und Rückkühler mit seiner Luftkühlung völlig unbeeinflußt und arbeiten ausschließlich mit einer temperaturabhängig gesteuerten Regelung der "Wassermengen .¥„ und ¥~ im Motorkühlsystem und im Rückkühler. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen System nach Fig_o arbeiten die Kühlsysteme nach der Erfindung gemäß Fig„ 2, 3 und 4 mit zwei voneinander unabhängigen Regelvorrichtungen«, In den Ausführungen nach Fig. 2 und 3 ist das erste Regelorgan R wie der Reglet R nach Fig. 1 ausgebildet. Dabei ist aber zusätzlich zum Nebenschluß d, der zwischen Drossel D und Verteilerventil T an die Rücklaufleitung a angeschlossen ist, ein Nebenschluß b zum Kühler K vorgesehen. —

Die Nebenschlüsse d und b führen gemeinsam zu einer zweiten Regelvorrichtung Rp. Dieser Regler R_? ist als Mischvorrichtung

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ausgebildet», zur Mischung der Kühlwass er menge-, die mit der Temperatur t. über die Hebenschlüsse d und b zum Regler R₀ gelangt und der\Flüssigkeitsmenge, die dem Kühier K über die Leitung a mit der Temperatur t_A zufließt ο Durch: die Mischung dieser beiden. Kühlwasser mengen, ergibt sich, hinter dem Regler Rp eine. Mischtemperatur t„ äes Kühlwassers,, das von derr Pumpe P mit dieser Temperatur dem Kühlsystem des Motors M wieder zugeführt wird«. Diese Mischtemperatur- t_M hängt,, wie ohne weiteres ersichtlich ist, von. dem Ferhältmis der Kühlwas— sermengen ¥„ und W_n. ab» die über den Kühler und über· dem MeEsenschluß führen.,

Die Mengenregelungen für das Motorlcühlwasser W_M und die Rüekkühlwassermenge ¥_K arbeiten bei den Ausführungs-Pormen nach Fig. 2,3 und 4 so, daß sich eine konstante Eintrittstemperatur t„ von 72 und eine konstante Austrittstemperatur t. von 80 C einstellt, so daß sich im Motorkühlsystem eine konstante Temperaturdifferenz von 8 C für jede Belastung der Maschine ergibt,, Als Regelimpuls für die Kühlwassermenge W_M dient wie bei der herkömmlichen Ausführungsform des Regelsystems die Austrittstemperatur t_A des Kühlwassers. Zur Einhaltung der Temperaturdifferenz von 8°C bzw. der Eintrittstemperatur t_ von 72 C ist der zweite Regler R_p vorgesehen, durch welchen unabhängig von der Kühlwassermenge W_M im Motor die Kühlwassermenge ¥„ im Kühler geregelt wird. Dieser Regler R₂ hat die Wirkung eines Verteilers oder eines Mischers. Er

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verteilt die vom Regler R₁ kommende Kühlwasser menge ¥_M sowohl, sum Zühler K hin als auch über den Nebenschluß ;d_;, b direkt 3im Vorlauf c. -

!Der "Regler :R„ ist ein Mehrwegemisciher.ο Er regelt die Kühlwas— serttempfiratair auf die gewünschte Eiaaitrittstemperatur t„ in die Maschine* unä. zwar .durch Mischung der beiden ¥a3sermengen UL. ~axLü Έ_τ mit Äem Temperaturen t. und t™, Natürlich muß die Temperatur 1t„ 33einHr sein als die gewünschte Eintritts— temperatur it ^, 'damii:-die Mischtemperatur t,- nach der Mischung der beiden. Was^eranengen ¥„ und ¥„ die gewünschte Eintrittstemperatur

Die Nebenschlußleitaamg ä ist ebenso wie bei der herkömmlichen Ausführungsform nach. Fig» 1 für das Anfahren der Maschine aus kaltem Zustand tmä. für sehr geringe Belastung der Maschine bei tiefen Außenlufttemperaturen vorgesehen» Über diese Nebenschluß leitung oder Kurzsehlußleitun,g d strömt ferner ein Teilstrom des Kühlwassers «direkt zur Maschine zurück, ohne von dem Verteilerventil T des Reglers R₁ erfaßt zu werden.

Es ist klar, daß bei sehr niedriger Maschinenleistung und tiefer Außenlufttemperatur die Kühlwassermenge %g_t^d±e über den Kühler fließt, sehr gering ist» Bei hoher Maschinenleistung und hohen Außenlufttemperaturen dagegen ist die über den Nebenschluß strömende Kühlwassermenge ¥_N klein, und das Kühlwasser fließt fast ausschließlich über den Kühler zum Regler R_p,

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Die Regelung durch den Regler R₂ kann durch einen Doppelweg-Thermostaten, wie in Fig. 2 angedeutet, oder durch einen Mehrwegemischer mit oder ohne Hilfsenergie, wie in Fig. 3 veranschaulicht, erreicht werden. Es ist wichtig, daß der Regler R_? ohne Drosselung arbeitet, damit die Drosselregelung des ersten Reglers R₁ nicht gestört wird.

Gegebenenfalls kann auch die Umwälzpumpe P einen der beiden Regler ersetzen, indem diese Umwälzpumpe so ausgelegt wird, daß ihre von der Motordrehzahl abhängige Tourenzahl die gewünschte Regelung der Kühlwassermenge ¥_M ergibt. Gegebenenfalls kann zusätzlich auch noch eine von der Austrittstemperatur t_A beeinflußte Regelung der Umwälzpumpe P vorgesehen sein« Es entspricht daher die Umwälzpumpe P dem Regler R₁ nach Fig ο 2 und 3« Der Regler R_ wird wiederum durch eine Verteileinrichtung gebildet, die die Menge W_M in die Teilmengen W~ und W_n aufteilt. Dieser Verteiler erhält seinen. Impuls von einem Fühler F_ für die Eintrittstemperatur t_-»

Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderungen und andere Ausführungen möglich. Insbesondere kann die Mengenregelung der das Motorkühlsystem durchfließenden Kühlwassermenge Ww statt durch Drosselung oder Pumpenregelung in gleicher Weise wie die Regelung der Kühlwassermenge W~ durch einen Verteiler erzielt werden, wie umgekehrt die Regelung der Kühlwassermenge W^ durch Drosselung oder Pumpenregelung erfolgen kann ο Stets muß jedoch eine Regelung durch Drosselung

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oder durch die Pumpe mit einer Regelung anderer Art, insbesondere durch Verteiler für die andere Kühlwassermenge kombiniert werden, die nicht mit einer Drosselung oder Fördermengenregelung verbunden ist, damit keine gegenseitige Störung der Regelwirkungen auftritt. Wohl kann daher für beide Regelungen das Prinzip der Verteilung angewandt werden, da hierbei eine gegenseitige Beeinflussung der Regelvorgänge nicht stattfindet»

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Claims (1)

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- 12 PATENTANSPRÜCHE:

ο Verfahren zur Regelung der Temperatur der Kühlflüssigkeit von Brennkraftmasehinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen und mit Zwangsumwälzung der Kühlflüssigkeit durch eine Umwälzpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeits-Durchf lußmengen (W_M, ¥„) im Motor (M) und Kühler (K) unabhängig voneinander so geregelt werden, daß eine vorgegebene Eingangstemperatür (t ) und Ausgangstemperatur (t ) der Kühlflüssigkeit am Motor aufrechterhalten werden»

ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit im Motor (W_M) durch Einstellung eines Drosselwiderstandes (D) geregelt wird,,

ο Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit im Motor (W„) durch Einstellung der Pumpenfördermenge (W_p) geregelt wird,

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit im Motor (W„) durch Teilung der Pumpenfördermenge (W_p) über den Motor (Wj.) und einen Nebenschluß (W_n) zum Motor geregelt wird,

ρ Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 oder 1 und 3 oder 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit (W_K) im Kühler (K) durch Teilung der

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Pumpenförderungen (W_p) über den Kühler (K) und einen Nebenschluß (b) zum Kühler geregelt wird,,

Vorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit (¥„) im Kühler (K) durch Einstellung eines DrosselwiderStandes oder der Pumpenfördermenge geregelt wird.

7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Umwälzkreislauf für die Kühlflüssigkeit durch Motor und Kühler, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander unabhängige Regelvorrichtungen (R₁, R«) für die Kühl— flüssigkeitsdurchflußmengen im Motor (M) und Kühler (K) mit Steuereinrichtungen (F) zur Konstanthaltung der Ein- und Ausgangstemperatür der Kühlflüssigkeit am Motor vorgesehen sind,,

Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserdurchfluß des Motors (M) oder des Kühlers (K) mit einem Drosselwiderstand (D) behaftet ist, der von der Ausgangstemperatur (t.) am Motor oder Kühler gesteuert wird, während der Kühlwasserdurchfluß (¥„) des Kühlers (K) mit einem Nebenschluß (b) versehen ist, der von. der Eingangs— temperatur (t„) am Motor gesteuert wird,

9„ Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasserdurchfluß statt durch einen Drosselwiderstand durch die Umwälzpumpe (P)-geregelt wird, deren Fördermenge in Abhängigkeit von der der Motorleistung entsprechenden Motordrehzahl oder von der Ausgangstemperatur (t_A) am Motor oder Kühler gesteuert wird-

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