DE2549009A1

DE2549009A1 - Vorrichtung zur regelung der temperatur der ladeluft eines wassergekuehlten verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2549009A1
Application number: DE19752549009
Authority: DE
Inventors: Leo Dr Ing Stankewitsch
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1975-11-03
Publication date: 1977-05-05
Also published as: DE2549009C2

Description

20.10.1975

MOTOREN-WERKE MANNHEIM AG, vorm. BENZ, Abt. stat. Motorenbau, 6800 Mannheim, Carl-Benz-Strasse 5

Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Ladeluft eines wassergekühlten Verbrennungsmotors.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Ladeluft eines wassergekühlten Verbrennungsmotors mit einer von den Motorabgasen angetriebenen Aufladevorrichtung, welche die Ladeluft den Motorzylindern über eine Einrichtung zur Kühlung oder Heizung der Ladeluft mit getrennten Räumen für Kühl- und Heizmittel zuführt.

Verbrennungsmotoren dieser Art können nach dem Dieselverfahren arbeiten oder auch Gasmotoren sein, die entweder mit Funkenzündung oder mit Einspritzung von Zündöl arbeiten. Die Motoren, um die es hier geht sind sämtlich hoch aufgeladen, d.h. sie arbeiten mit mittleren effektiven Drücken, die zwei- bis dreimal höher sind, als bei einem unaufgeladenen Motor. Bei hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren ist es erforderlich, das Verdichtungsverhältnis soweit zu vermindern, daß die Zünddrücke in erträglichen Grenzen bleiben. Mit diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis arbeitet der Motor nur dann zufriedenstellend, wenn die Temperatur der Ladeluft in einem bestimmten Bereich liegt. Das bedeutet, daß die Ladelufttemperatur geregelt werden muß, wobei es nicht allein genügt, die Ladeluftkühlung bei fallender Motorleistung zu vermindern oder unwirksam zu machen. Es ist vielmehr notwendig die Ladeluft bei Schwachlast und im Leerlauf aufzuheizen. Auch die Umgebungstemperatur spielt dabei eine Rolle. Man hat schon vorgeschlagen zu diesem Zweck den Lade luftkühl er entweder an ein Heißwasser- oder Kaltwassernetz anzuschließen und dabei getrennte Räume für Kühl- und Heizmittel vorzusehen. Das würde bedeuten, daß jeweils ein Teil eines

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ORlGlNAL INSPECTED

solchen Ladeluftkühlers ausgeschaltet wäre d.h. dieser Kühler würde sehr teuer und sperrig im Vergleich zu einer Normalausführung sein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieses Nachteils. Diese Aufgabe wird an einem Verbrennungsmotor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Kühlung oder Heizung der Ladeluft aus zwei im Wege der Ladeluft hintereinander liegenden Wärmetauschern besteht, von denen der erste, der Aufladevorrichtung nächstgelegene Wärmetauscher in dem Motorkühlwasserkreislauf liegt, während der zweite, dem Verbrennungsmotor nächstgelegene Wärmetauscher in einem anderen Kühlwasserkreislauf liegt, der ein niedrigeres Temperaturniveau als der Motorkreislauf hat, und daß nur der Kühlwasserdurchfluß durch den ■ zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebswerten des Verbrennungsmotors, die von der Motorleistung abhängig sind, derart geregelt wird, daß' beide Wärmetauscher im oberen Leistungsbereich als Kühler arbeiten, wogegen der erste Wärme- ' tauscher im unteren Leistungsbereich als Heizvorrichtung wirkt, wobei der zweite Wärmetauscher unwirksam ist.

Die vorgenannte Kühlwirkung kommt dadurch zu Stande, daß die Temperatur der aus dem Verdichter der Aufladevorrichtung austretenden Ladeluft bei hochaufgeladenen Verbrennungsmotoren bei Vollast so hoch ist, daß ein zur Kühlung in dem ersten Wärmetauscher ausreichendes Temperaturgefälle gegenüber dem Kühlwasser in dem Motorkreislauf vorhanden ist. Anderseits ist die Ladelufttemperatur beim Austritt aus dem Verdichter bei Schwachlast und im Leerlauf niedrig genug, um den ersten Wärmetauscher als Heizvorrichtung wirken zu lassen. Zwischen der durch den ersten Wärmetauscher bei Vollast gekühlten Ladeluft und dem Kühlwasser in dem Kreislauf mit dem niedrigeren Temperaturniveau besteht wiederum ein Temperaturgefälle, das den zweiten Wärmetauscher in die Lage versetzt, die Ladeluft noch weiter abzukühlen. Bei Schwachlast und im Leerlauf wird überhaupt keine Ladeluftkühlung benötigt und daher wird der zweite Wärmetauscher in diesem Betriebsbereich durch Absperren des Kühl-

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wasserdurchflusses unwirksam gemacht. Da alle Wärmeübertragungsflächen der beiden Wärmetauscher, die den Ladeluftkühler bilden, bei Vollast wirksam sind, braucht der Ladeluftkühler gegenüber einer einheitlichen Ausführung nicht überdimensioniert zu werden, sondern kann unter gewissen Voraussetzungen sogar kleiner sein, weil das Gesamtwärmegefälle günstiger aufgeteilt ist.

Vorteilhaft erfolgt die Regelung des Kühlwasserdurchflusses durch den zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Temperatur eines Arbeitsmediums des Verbrennungsmotors,.die von der Motorleistung und von den Umgebungstemperaturen abhängt. Zu den Umgebungstemperaturen gehören z.B. die Luft- Rohwasser- und Seewassertemperaturen in der Umgebung des Verbrennungsmotors. Zu den Arbeitsmedien deren Temperatur nicht nur von der Motorleistung sondern von den Umgebungstemperaturen abhängt, gehören in erster Linie die Ladeluft und das Abgas des Verbrennungsmotors.

In der Zeichnung ist ein Aiisführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.

Der Verbrennungsmotor, dessen Zylinder und Zylinderköpfe mit 1 bzw. 2 bezeichnet sind, ist mit einer Aufladevorrichtung bestehend aus einem Abgasturbolader versehen, dessen Verdichter 3 und dessen Abgasturbine 4 auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Der Verdichter 3 fördert die Ladeluft zu den Zylinderköpfen 2,bzw. Zylindern 1, des Verbrennungsmotors, wo sie zur Verbrennung des den Verbrennungsräumen der Zylinder 1 zugeführten Brennstoffes dient. Die Abgase aus dieser Verbrennung strömen zu der Abgasturbine 4, in der ihre Energie zum Antrieb des Verdichters 3 verwertet wird, bevor sie ins Freie gelangen. Der erste Wärmetauscher 5 liegt in einem Kühlwasserkreislauf mit hohem Temperaturniveau, in dem die Pumpe 7 das Motorkühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf umwälzt. Das Motorkühlwasser gelangt nach Verlassen des Wärmestauschers 5 zu den Kühlwasserräumen der Zylinder 1 und der Zylinderköpfe 2 und von dort zu einem· Temperaturregelorgan, das aus dem Dreiwegeventil 8 und dem Temperaturfühler 9 besteht. Dieses Temperaturregelorgan hält die Motorkühl-

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wassertemperatur nach dem Warmlaufen des Verbrennungsmotors dadurch praktisch konstant, daß das Motorkühlwasser je nach Wärmeanfall entweder über den Rückkühler 10 oder über die Kurzschlußleitung 11 geleitet wird. Das den Rückkühler 10 durchfließende Motorkühlwasser, wird durch Seewasser gekühlt, das von der Pumpe 12 entweder über den zweiten Wärme tauscher 6 oder über die Kurz Schlußleitung 13 dem Rückkühler 10 zugeführt wird, von wo es wieder ins Meer abfließt. Die Seewassermenge, die den zweiten Wärmetauscher 6 durchfließt, wird durch das Dreiwegeventil 14 geregelt, das wiederum durch den Temperaturfühler 15 gesteuert wird, der in die Ladeluftleitung zwischen dem Wärmetauscher 6 und den Zylinderköpfen 2 eingebaut ist. Die Steuerung des Ventils 14 kann auch durch den Temperaturfühler 16 erfolgen, der im Weg der Ladeluft zwischen dem Verdichter 3 und dem Wärmetauscher 5 liegt.Alternativ kann das Ventil 14 auch durch Temperaturfühler 17 oder 18 gesteuert werden, die im Weg des Abgases vor bzw. hinter der Abgasturbine 4 eingebaut sind.

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Claims

20.10.1975

Patentansprüche

Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Ladeluft eines

wassergekühlten Verbrennungsmotors mit einer von den Motorabgasen angetriebenen Aufladevorrichtung, welche die Ladeluft den Motorzylindern über eine Einrichtung zur Kühlung oder Heizung der Ladeluft mit getrennten Räumen für Kühl- und Heizmittel zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Kühlung oder Heizung der Ladeluft aus zwei im Weg der Ladeluft hintereinander liegenden Wärmetauschern besteht, von denen der erste, der Aufladevorrichtung (3) nächstgelegene Wärmetauscher (5) in dem Motorkühlwasserkreislauf liegt, während der zweite, dem Verbrennungsmotor (2) nächstgelegene Wärmetauscher (6) in einem anderen Kühlwasserkreislauf liegt, der ein niedrigeren Temperaturniveau als der Motorkreislauf hat, und daß nur der Kühlwasserdurchfluß durch den zweiten Wärmetauscher in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebswerten des Verbrennungsmotors, die von der Motorleistung abhängig sind, derart geregelt wird, daß beide Wärmetauscher im oberen Leistungsbereich als Kühler arbeiten, wogegen der erste Wärmetauscher im unteren Leistungsbereich als Heizvorrichtung wirkt, wobei der zweite Wärmetauscher unwirksam ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Kühlwasserdurchflusses durch den zweiten Wärmetauscher (6) in Abhängigkeit von der Temperatur eines Arbeitsmediums des Verbrennungsmotors erfolgt, die von der Motorleistung und von den Umgebungstemperaturen abhängt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium die Ladeluft ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Ladeluft an eine Stelle (15) gemessen wird, die im

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Weg der Ladeluft zwischen dem zweiten Wärmetauscher (6) und dem Verbrennungsmotor (2) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Ladeluft an einer Stelle (16) gemessen wird, die im Weg der Ladeluft zwischen dem Verdichter (3) der Aufladevorrichtung und dem ersten Wärmetauscher (5) liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium das Abgas des Verbrennungsmotors ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle (17) an der die Abgastemperatur gemessen wird, im Weg des Abgases zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgasturbine (4) der Aufladevorrichtung liegt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle (18), an der die Abgastemperatur gemessen wird, im Weg des Abgases von der Abgasturbine (4) ins Freie liegt.

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