DE19916676C1 - Kühlsystem für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Ein Kühlsystem für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist wenigstens einen Kühlmittelkreislauf mit wenigstens einer Kühlmittelfördereinrichtung und wenigstens einer Turbine auf. Der den Verbrennungsmotor durchströmende Teil des Kühlmittelkreislaufs weist ein höheres Druckniveau als der die Turbine durchströmende Teil des Kühlmittelkreislaufs auf. Die Kühlmittelfördereinrichtung besteht aus wenigstens zwei Verdrängereinheiten, wobei die eine Verdrängereinheit einen größeren Volumenstrom in den den Verbrennungsmotor durchströmenden Teil des Kühlmittelkreislaufs fördert, als die andere Verdrängereinheit daraus entnimmt. Die Kühlmittelfördereinrichtung weist eine Bypassleitung mit einem Überdruckventil auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen flüs­ sigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Kühlmittel­ kreislauf nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Ein Verbrennungsmotor kann prinzipbedingt keinen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Bei den üblichen Ver­ brennungsmotoren fällt ungefähr ein Drittel des Ener­ gieinhalts des eingesetzten Brennstoffs als Wärme in einem Kühlmittel des Verbrennungsmotors an. Diese Wär­ me muß über Kühleinrichtungen abgeführt werden und gelangt meist ungenutzt in die Umgebung.

Weiterhin ist es bekannt, die Abwärme des Verbren­ nungsmotors als thermische Energie zu nutzen. Diese sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung erfolgt insbesondere bei Blockheizkraftwerken zur Energieversorgung von Gebäuden oder Ortsteilen. Im Prinzip stellen auch die heute üblichen Heizungssysteme für Kraftfahrzeuge eine solche Kraft-Wärme-Kopplung dar, da auch hier die Ab­ wärme des Verbrennungsmotors als thermische Heizener­ gie eingesetzt wird.

In der gattungsgemäßen EP 0 636 779 A1 ist nun ein Verfahren beschrieben, bei dem der thermische Energie­ inhalt des Kühlwassers eines Verbrennungsmotors in einer Turbine zu mechanischer Energie umgewandelt wer­ den kann.

Der Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors weist dazu zwei verschiedene Druckniveaus auf, wobei der den Verbrennungsmotor kühlende Teil des Kühlwasserkreis­ laufs über eine Drosseleinrichtung nach dem Verbren­ nungsmotor auf einem gegenüber dem restlichen Kühlwas­ serkreislauf höheren Druckniveau gehalten wird. Da­ durch erhält man in dem Verbrennungsmotor eine gut kühlende Flüssigkeit in einem homogenen Aggregatzu­ stand. Im weiteren Teil des Kühlkreislaufes erhält man, aufgrund des niedrigeren Druckniveaus bei glei­ cher Kühlwassertemperatur bereits Dampf. Dieser Dampf wird durch einen Wärmetauscher von dem Abgas des Ver­ brennungsmotors weiter erhitzt und dann in der Turbine entspannt. Dadurch wird sein thermischer Energieinhalt zuerst in mechanische Energie und dann über einen Ge­ nerator in elektrische Energie umgewandelt.

Durch dieses System mit der Drosseleinrichtung zum Erreichen der unterschiedlichen Druckniveaus entstehen jedoch erhebliche Strömungsdruckverluste, die durch eine besonders große Kühlwasserförderpumpe ausgegli­ chen werden müssen. An dieser Stelle muß also sehr viel Energie in den Kühlwasserkreislauf gesteckt wer­ den, um später einen Teil der Abwärme des Verbren­ nungsmotors wieder zurückzugewinnen. Daher läßt sich das in der oben genannten Schrift beschriebene System fast ausschließlich im Bereich von großen Verbren­ nungsmotoren, wie z. B. Blockheizkraftwerken einsetzen, da hier soviel Energie umgesetzt wird, daß sich ein solches System trotz des höheren Energieeinsatzes bei der Kühlwasserförderpumpe lohnt.

Die prinzipielle technische Einsetzbarkeit von Kühlsy­ stemen mit zwei verschiedenen Druckniveaus, insbeson­ dere zur Vermeidung von Dampfblasenbildung in der zu kühlenden Kraftmaschine, ist dabei auch schon in der DE-PS 167 787 beschrieben.

Weitere Grundlagen dieser sogenannten Heißkühlung, d. h. den Einsatz von Kühlwasser mit mehr als 100°C bei entsprechend höherem Druckniveau, sind auch in der Motortechnischen Zeitschrift ("MTZ 29" Heft 1, 1968, S. 15-19 und "MTZ 31" Heft 3, 1970, S. 126-130) be­ schrieben. Dabei wird gezeigt, daß allein schon durch die Heißkühlung eine Erhöhung des Wirkungsgrads eines Verbrennungsmotors erreicht werden kann.

Die DE-PS 299 037 zeigt ein Kühlsystem, insbesondere ein Heißkühlsystem für mit schwankender Tourenzahl zur Anwendung kommende Motoren. Das Kühlsystem wird dabei mit Hilfe einer Pumpe und einem Zusatzdruckorgan, wel­ ches auch in Form einer kleinen Pumpe realisiert ist, unter einen Überdruck gesetzt. Damit läßt sich bei einer Heißkühlung erreichen, daß eine Dampfblasenbil­ dung durch den Überdruck verhindert wird.

Aus der JP 56-159 514 (A) ist ein Kühler für eine Brennkraftmaschine bekannt. Zur Förderung des Kühlmit­ tels dient hierbei eine Kühlmittelfördereinrichtung, welche mit einer Bypassleitung versehen ist. Außerdem ist in der Bypassleitung ein Überdruckventil angeord­ net.

Alle in den genannten Schriften beschriebenen Systeme haben den Nachteil und das Problem, daß sie nur im großen Bereich, z. B. der Kraftwerkstechnik sinnvoll einzusetzen sind, da sie alle mit Drosselungssystemen arbeiten, um den Druck der Kühlflüssigkeit in der Ver­ brennungskraftmaschine höher zu halten als in dem restlichen Kühlkreislauf. Diese Systeme erzeugen je­ doch große Strömungsdruckverluste und sind so nur bei Anlagen rentabel, die soviel Energie erzeugen, daß diese Verluste energetisch leicht kompensiert werden können.

Da jedoch der bei weitem größte Verbreitungsbereich von Verbrennungsmotoren im Bereich der Kraftfahrzeuge angesiedelt ist, wäre ein System von Nutzen, welches auch bei einem Kraftfahrzeug mit seinem überwiegend im energetisch ungünstigen Teillastbetrieb laufenden Ver­ brennungsmotor in der Lage wäre, Wärmeenergie aus dem Kühlmittelkreislauf als mechanische und/oder elektri­ sche Energie z. B. für das Bordnetz des Kraftfahrzeuges zurückzugewinnen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein gattungs­ gemäßes Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor, insbe­ sondere für ein Kraftfahrzeug, so zu verbessern, daß die Energiezufuhr zur Kühlmittelfördereinrichtung ver­ ringert und damit der Wirkungsgrad des Verbrennungsmo­ tors erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem gattungs­ gemäßen Kühlsystem durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch den Einsatz einer Kühlmittelfördereinrichtung, welche nach dem Verdrängerprinzip arbeitet, ist man in der Lage, den den Verbrennungsmotor durchströmenden Teil des Kühlmittelkreislaufs drucklich komplett von dem restlichen Teil des Kühlmittelkreislaufs zu tren­ nen.

Dazu weist die Kühlmittelfördereinrichtung die beiden Verdrängereinheiten auf und eine der Verdrängereinhei­ ten fördert einen geringfügig größeren Volumenstrom in den in dem Verbrennungsmotor gelegenen Teil des Kühl­ mittelkreislaufs als die andere Verdrängereinheit dar­ aus entnimmt. So kann sich in besonders vorteilhafter Weise ein höherer Druck in dem in dem Verbrennungsmo­ tor gelegenen Teil des Kühlmittelkreislaufs einstel­ len. Durch eine Bypassleitung mit einem Überdruckven­ til wird das überschüssige Kühlmittelvolumen, ab einem bestimmten, vorgegebenen und fest eingestellten Über­ druck des den Verbrennungsmotor durchströmenden Teil des Kühlmittelkreislaufs, zurück in den anderen Teil des Kühlmittelkreislaufs strömen.

Durch das höhere Druckniveau in dem den Verbrennungs­ motor durchströmenden Teil des Kühlmittelkreislaufs wird verhindert, daß in diesem Teil des Kühlmittel­ kreislaufs eine Änderung des Aggregatzustands des Kühlmittels stattfindet. Dadurch kann das Kühlmittel auf einem höheren Temperaturniveau verwendet werden, als dies bei einem drucklich durchgehend auf einem niedrigerem Niveau liegenden Kühlkreislauf möglich wäre. Durch diese sogenannte Heißkühlung werden Vor­ teile bezüglich des Wirkungsgrads des Verbrennungsmo­ tors und somit auch seiner Schadstoffemissionen er­ reicht.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist so in der Lage, dem Teil des Kühlmittelkreislaufs auf niedrigerem Druckniveau gasförmiges Kühlmittel, insbesondere Dampf, zur Verfügung zu stellen, welcher in der in dem Kühlkreislauf integrierten Turbine in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Damit steigt der Wir­ kungsgrad des Verbrennungsmotors einerseits durch die dampfblasenfreie Heißkühlung, andererseits steigt der Wirkungsgrad des Gesamtsystems durch die von der Tur­ bine gelieferte mechanische Energie beträchtlich an.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems sieht vor, daß die beiden Verdrängereinheiten energe­ tisch miteinander gekoppelt sind. Dadurch kann die Kühlmittelfördereinrichtung in besonders günstiger Art und Weise bei nur geringem Energiebedarf Kühlmittel in dem Verbrennungsmotor auf einem höheren Druckniveau als im restlichen Teil des Kühlmittelkreislaufs zur Verfügung stellen. Dabei wird ein Teil der zum Fördern des Kühlmittels erforderlichen Verdrängungsarbeit auf das höhere Druckniveau im entnehmenden Verdränger wie­ der zurückgewonnen. Durch deren energetische Kopplung kann so der Gesamtenergiebedarf der Kühlmittelför­ dereinrichtung sehr gering gehalten werden.

Erst eine solche Kühlmittelfördereinrichtung ist in der Lage das System so energieeffizient zu betreiben, daß der Einsatz auch in einem Kraftfahrzeug möglich wird.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnungen prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schema eines Kühlsystems; und

Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform der Kühlmittel­ fördereinrichtung des Kühlsystems.

In Fig. 1 ist ein Kühlsystem mit den zur Energierück­ gewinnung aus der Abwärme erforderlichen Komponenten erkennbar. Ein Verbrennungsmotor 1 mit einem Kühlmit­ teleintritt 2 und einem Kühlmittelaustritt 3 ist sche­ matisch dargestellt. Ein wesentlicher Bestandteil des Kühlsystems ist eine Kühlmittelfördereinrichtung 4, welche nach dem Verdrängerprinzip arbeitet und eine fördernde Verdrängereinheit 5 und eine entnehmende Verdrängereinheit 6 aufweist.

Die entnehmende Verdrängereinheit 6 ist energetisch mit der fördernden Verdrängereinheit 5 gekoppelt. Der von der fördernden Verdrängereinheit 5 geförderte Vo­ lumenstrom an Kühlmittel ist geringfügig größer als der von der entnehmenden Verdrängereinheit 6 entnomme­ ne Volumenstrom. Wegen dieser Differenz der Fördervo­ lumina steigt der Kühlmitteldruck im Betrieb des Ver­ brennungsmotors 1 zunächst an und wird dann durch ein Überdruckventil 7, welches in einer parallel zu der Kühlmittelfördereinrichtung 4 verlaufenden Bypasslei­ tung 8 liegt, konstant gehalten.

Die von der entnehmenden Verdrängereinheit 6 dem Ver­ brennungsmotor 1 entnommene Kühlmittelmenge wird über eine Leitung 9 einem Kühlmittelvorratsbehälter 10 zu­ geführt. Gleichzeitig wird dem Kühlmittelvorratsbehäl­ ter 10 über eine Leitung 11 die etwas größere Kühlmit­ telmenge, die die fördernde Verdrängereinheit 5 durch­ strömt, entnommen und dem Verbrennungsmotor 1 zuge­ führt. Die Volumendifferenz der beiden durch die Kühl­ mittelfördereinrichtung 4 strömenden Volumenströme gelangt über die Bypassleitung 8 und das darin enthal­ tene Überdruckventil 7 zurück zu dem Kühlmittelvor­ ratsbehälter 10.

In dem Bereich zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und der Kühlmittelfördereinrichtung 4 bzw. dem Überdruck­ ventil 7 stellt sich so ein Kühlmitteldruck ein, wel­ cher deutlich höher ist als der Kühlmitteldruck in den Leitungen 9, 11 und dem Kühlmittelvorratsbehälter 10. Idealerweise weist dabei das niedrigere Druckniveau einen Druckwert von ca. 10 bar, das höhere Druckniveau einen Druckwert von ca. 20 bar auf.

Außerdem ist der Kühlmittelvorratsbehälter 10 über eine Dampfleitung 12 und ein Zumessventil 13 mit einer Turbine 14 verbunden. Durch das in diesem Teil des Kühlmittelkreislaufs niedrigere Druckniveau liegt das Kühlmittel hier gasförmig, insbesondere als Dampf, vor. In der Turbine 14 wird dieser Dampf dann ent­ spannt und an einer Welle 15 der Turbine 14 kann me­ chanische Energie abgenommen werden. Der nach der Tur­ bine 14 entspannte Kühlmitteldampf kondensiert in ei­ nem Kondensator 16, welcher den bisher üblichen Fahr­ zeugkühler ersetzt, und gelangt dann über eine Speise­ wasserpumpe 17 und eine Leitung 18 zurück in den Kühl­ mittelvorratsbehälter 10.

Die an der Welle 15 der Turbine 14 anliegende mechani­ sche Energie kann durch einen Generator bzw. eine Lichtmaschine in elektrische Energie umgewandelt wer­ den und kann so das Bordnetz des Kraftfahrzeuges spei­ sen. Es ist jedoch auch denkbar, die mechanische Ener­ gie direkt zum Antrieb von verschiedenen Aggregaten z. B. einer Klimaanlage oder für den Antrieb des Kraft­ fahrzeuges selbst zu nutzen.

In einer alternativen Ausführungsform kann zwischen dem Kühlmittelvorratsbehälter 10 und der Turbine 14 ein weiterer Wärmetauscher 19 angeordnet sein. Dieser Wärmetauscher 19 könnte dann die Aufgabe der weiteren Erhitzung des Kühlmitteldampfs übernehmen, indem er die Wärme der den Verbrennungsmotor verlassenden Abga­ se nutzt und einen Teil dieser thermischen Energie auf das dampfförmige Kühlmittel überträgt. Dadurch läßt sich das Temperaturniveau des Kühlmitteldampfs vor der Turbine 14 weiter erhöhen und der mechanische Energie­ gewinn durch die Turbine 14 kann weiter vergrößert werden.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Kühlmit­ telfördereinrichtung 4 mit den beiden Verdrängerein­ heiten 5, 6. Dabei sitzen die in Fig. 2 untereinander dargestellten Verdrängereinheiten 5 und 6 bei der kon­ struktiven Ausführung zweckmäßigerweise nebeneinander auf derselben Antriebswelle. Die zum Fördern erforder­ liche Verdrängungsarbeit auf ein höheres Druckniveau wird größtenteils in der entnehmenden Verdrängerein­ heit 6 wieder zurückgewonnen. Auch Aufbauten mit elek­ trischen Antrieben bzw. Generatoren sind denkbar, wo­ bei eine Steuer- bzw. Regelelektronik dann für eine Kopplung der beiden Verdrängereinheiten 5, 6 sorgen müßte.

Zur Erreichung des größeren Volumenstroms durch die fördernden Verdrängereinheit 5 kann das konstruktiv bedingte Fördervolumen je Umdrehung einer gemeinsamen Antriebswelle (nicht dargestellt) bei der fördernden Verdrängereinheit 5 etwas größer als bei der entneh­ menden Verdrängereinheit 6 ausgeführt sein.

Alternativ zu der in Fig. 2 als Pumpe dargestellten Kühlmittelfördereinrichtung 4 wären auch beliebige Kolbenmaschinen denkbar, wobei die entnehmende Ver­ drängereinheit 6 dann durch eine geeignete Ventil­ steuerung als Kolbenmotor arbeiten müßte.

Claims (10)

1. Kühlsystem für einen flüssigkeitsgekühlten Ver­ brennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahr­ zeug, mit wenigstens einem Kühlmittelkreislauf, wobei der Kühlmittelkreislauf wenigstens eine Kühlmittelfördereinrichtung und wenigstens eine Turbine aufweist, und wobei der den Verbrennungs­ motor durchströmende Teil des Kühlmittelkreislaufs ein höheres Druckniveau als der die Turbine durch­ strömende Teil des Kühlmittelkreislaufs aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelfördereinrichtung (4) wenigstens zwei Verdrängereinheiten (5, 6) aufweist, wobei die eine Verdrängereinheit (5) einen größeren Volumen­ strom in den den Verbrennungsmotor (1) durchströ­ menden Teil des Kühlmittelkreislaufs fördert als die andere Verdrängereinheit (6) daraus entnimmt, und wobei die Kühlmittelfördereinrichtung (4) eine Bypassleitung (8) mit einem Überdruckventil (7) aufweist.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verdrängereinheiten (5, 6) energetisch miteinander gekoppelt sind.

3. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängereinheiten (5, 6) jeweils eine mecha­ nische Antriebseinheit mit einer Antriebswelle aufweisen, wobei die energetische Kopplung der fördernden und der entnehmenden Verdrängereinheit (5, 6) als mechanische Verbindung ihrer Antriebs­ wellen ausgebildet ist.

4. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängereinheiten (5, 6) jeweils eine elek­ trische Antriebseinheit aufweisen, wobei die ener­ getische Kopplung der fördernden und der entneh­ menden Verdrängereinheit (5, 6) als ein elektri­ sches Steuer- oder Regelsystem der Antriebseinhei­ ten ausgebildet ist.

5. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf einen Kühlmittelvorratsbe­ hälter (10) mit Kühlmittel in zwei verschiedenen Aggregatzuständen aufweist.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelfördereinrichtung (4) über Leitungen (9, 11) mit dem Kühlmittelvorratsbehälter (10) ver­ bunden ist, wobei die Leitungen (9, 11) in einen Bereich des Kühlmittelvorratsbehälters (10) mün­ den, in dem flüssiges Kühlmittel vorliegt.

7. Kühlsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsseite der Turbine (14) über eine Dampfleitung (12) mit dem Kühlmittelvorratsbehäl­ ter (10) verbunden ist, wobei die Dampfleitung (12) in einen Bereich des Kühlmittelvorratsbehäl­ ters (10) mündet, in dem gasförmiges Kühlmittel vorliegt.

8. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsseite der Turbine (14) oder eine Lei­ tung (18) mit dem Kühlmittelvorratsbehälter (10) verbunden ist, wobei die Leitung (18) einen Kon­ densator (16) und eine Speisewasserpumpe (17) ent­ hält, um das aus der Turbine (14) austretende Kühlmittel zum Kondensieren in den Kühlmittelvor­ ratsbehälter (10) zu fördern.

9. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf zwischen dem Kühlmittel­ vorratsbehälter (10) und der Eintrittsseite der Turbine (14) einen Wärmetauscher (19) aufweist, durch welchen ein Teil der thermischen Energie des Abgases des Verbrennungsmotors (1) auf das Kühl­ mittel übertragbar ist.

10. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische, von der Turbine (14) gelieferte Energie an einer Welle (15) der Turbine (14) nutz­ bar ist.