DE2817976A1

DE2817976A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2817976A1
Application number: DE19782817976
Authority: DE
Inventors: Bruce Lyle Warman
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1978-04-24
Publication date: 1978-11-09
Also published as: ZA782442B; US4167159A; NL7804512A; RO75214A; AR227869A1; ES469289A1; DK144773B; DK144773C; BR7802639A; YU99978A; YU39567B; NL180130C; AU513126B2; FR2388995A1; DE2817976C2; BE866470A; IT7849121A0; JPS53136145A; TR20255A; GB1589759A

Description

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Ve rb rennungsmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Verbrennungsmotor mit einem geschlossenen, einen Behälter für Kühlmittel aufweisenden Kühlsystem.

Es ist bereits ein Verbrennungsmotor mit einem Kühlsystem aus der US-PS 3 765 383 bekannt, das mit einem Überdruckventil ausgestattet ist, das gegen die Wirkung einer Druckfeder verstellbar ist. Das Überdruckventil ist in einem zylindrischen Gehäuse auf der Oberseite des Behälters angeordnet und öffnet sich bei' einem bestimmten Druck im Behälter. An das zylindrische Gehäuse ist eine Druckmittelleitung angeschlossen, die mit einem Akkumulator verbunden ist, der ferner über eine weitere Druckmittelleitung an die Unterseite des Behälters angeschlossen ist. Der Akku hat die Aufgabe, das aus dem Behälter überfließende Kühlmittel aufzunehmen, wenn der Verbrennungsmotor warmläuft. Dieses System wird als passives System bezeichnet, bei dem der Druck als Funktion der Temperatur eine abhängige Variable ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betriebsdruck über einen großen Temperaturbereich auf einem niedrigen Wert konstant zu halten und erst im oberen Temperaturbereich einen Druckanstieg zu gestatten, dessen Kurvenverlauf in etwa dem Kurvenverlauf einer Dampfdruckkurve PV entspricht. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Auf diese Weise erhält man ein mit einem höheren Wirkungsgrad arbeitendes Kühlsystem, bei dem der normale maximale Arbeitsdruck bzw. Überdruck auf einem niedrigen Niveau gehalten wird, bis ein höheres Druckniveau erforderlich ist. Somit können die Kosten zur Erstellung

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eines Kühlsystems klein gehalten werden, und die Laufzeit eines Verbrennungsmotors im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor mit dem bekannten Kühlsystem,, das lediglich auf einen einzigen Arbeitsdruck eingestellt werden kann, kann erhöht werden. Außerdem ist es bei dieser Anordnung möglich, daß über einen großen Bereich ein besserer Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und den zu kühlenden Aggregaten stattfindet. Dies wird in vorteilhafter Weise durch ein zweites Überdruckventil erreicht, das in Abhängigkeit der Behältertemperatur über ein Stellglied, beispielsweise ein Thermostellglied, gesteuert wird. Auf diese Weise kann über einen großen Temperaturbereich ein unteres Druckniveau konstant gehalten werden. Das Stellglied bzw. das Thermostellglied steht in Abhängigkeit des Arbeitsparameters der Verbrennungskraftmaschine sowie der Kühlmitteltemperatur und steuert das zweite überdruckventil und ermöglicht nur dann einen Druckanstieg, wenn dies aufgrund der Arbeitsbedingungen des Verbrennungsmotors erforderlich ist, beispielsweise wenn die Verbrennungsmotortemperatur infolge eines Lastanstieges ansteigt oder wenn beispielsweise die Außentemperatur übermäßig ansteigt.

Durch diese Anordnung erhält man ein sogenanntes aktives Steuersystem mit Rückführung mittels eines Thermostellgliedes. Durch diese Anordnung ist also eine Selbstkorrektur im Hinblick auf die Kühlmittelmenge und die Zusammensetzungen des Kühlmittels und des Drucktemperaturverlaufes möglich.

Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele eines Kühlsystems eines Verbrennungsmotors nach der Erfindung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem,

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Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des oberen Teiles des Kühlers,

Fig. 3 einen schematisehen Längsschnitt durch den oberen Teil des Kühlers,

Fig. 4 eine Rückansicht des oberen Teiles eines

Kühlerbehälters eines weiteren Ausführungsbeispieles,

Fig. 5

und 6 verschiedene Parameter des Verhältnisses

zwischen Temperatur und Druck im Kühlsystem.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Verbrennungsmotor bezeichnet, der zum Antrieb eines Schleppers, eines Mähdreschers oder einer stationären Vorrichtung eingesetzt werden kann. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Kühlsystem 12 ausgerüstet und kann auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Rahmen montiert sein. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Zylinderblock 14 mit einem Zylinderkopf 16 auf. Im Zylinderblock 14 sind vier gleiche Zylinder 18 vorgesehen, die mit je einer Zylinderbuchse 20 ausgestattet sind. Ferner weist der Verbrennungsmotor 10 eine mit 22 bezeichnete Kurbelwelle auf (Fig. 1).

Zu dem Kühlsystem 12 gehören ein Wasserkühler 24, ein Radiator 26, eine Umwälzpumpe 28 und ein Lüfter 29. Der Wasserkühler 24 weist in der Zeichnung nicht dargestellte Verbindungsleitungen und Kammern innerhalb des Zylinderblocks 14 und des Zylinderkopfes 16 auf, damit Kühlmittel zu den verschiedenen Teilen des Verbrennungsmotors 10 während des Arbeitsprozesses gelangen kann. Die in Fig. 1 angedeuteten Pfeile auf dem Zylinderblock 14 und dem Zylinderkopf 16 geben den Bereich des Wasserkühlers 24 an und zeigen

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den Kühlmittelfluß des Kühlsystems 12. Der Wasserkühler 24 weist ferner eine Zuflußleitung 30 und eine Abflußleitung 32 auf, wobei letztere mit einem Gehäuseteil 34 zur Aufnahme eines Thermostaten 36 ausgerüstet ist. Eine Nebenleitung 38 verbindet die Abflußleitung 32 auf der Seite des Thermostaten 36 mit dem Wasserkühler 2 4 im Bereich der Umwälzpumpe 28.

Der Radiator 26 weist einen oberen Behälter 40, Radiatoren 42 und einen unteren Behälter 44 auf. Der untere Behälter 44 ist über eine Abflußleitung 46 und über eine Zuflußleitung 48 an die Zuflußleitung 30 des Wasserkühlers 24 angeschlossen.

Der obere Behälter 40 des Kühlsystems 12 ist im Detail in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Der obere Behälter 40 weist eine obere Seite 50 und eine Rückseite 52 auf. Ein Einlaßstutzen 54 ist über einer öffnung 56 vorgesehen, die etwa mittig in der oberen Seite 50 angeordnet ist. Der Einlaßstutzen 54 weist einen zylindrischen Stutzen 58 auf, an dessen linke Seite eine horizontal verlaufende Leitung 60 angeschlossen ist. Links vom Einlaßstutzen 54 erstreckt sich durch die obere Seite 50 ein 90°-Krümmer Der äußere, horizontal verlaufende Teil des Krümmers 62 erstreckt sich nach links. Die Rückseite 52 des oberen Behälters 40 weist einen Einlaßstutzen 64 auf, der etwas unterhalb des Einlaßstutzens 54 vorgesehen ist. An der linken Seite des Einlaßstutzens 54 befindet sich ein mit Gewinde versehener Anschlußflansch 66 (Fig. 3), der sich in das Innere des oberen Behälters 40 erstreckt. Eine druckgesteuerte Ventilvorrichtung 6 8 ist in den Anschlußflansch 66 eingeschraubt und abgedichtet, so daß kein Kühlmittel unkontrolliert aus dem Behälter 40 abfließen kann. Die Ventilvorrichtung 68 weist ein Gehäuse 70, ein Thermostellglied 72, ein thermogesteuertes Ventil 74 und ein Überdruckventil 76 auf. Das Gehäuse 70 ist mit einem zylinderförmig ausgebildeten Teil 78 und einer Abschlußkappe 80 versehen, die das äußere Ende des Gehäu-

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ses 70 nach außen hin abdichtet. Das innere Ende 82 des Teiles 78 des Gehäuses 70 ist offen und weist ein kurzes Gewindestück 84 auf. Der mittlere Teil 78 ist in drei koaxial verlaufende, zylindrische und untereinander verbundene Kammern aufgeteilt, wovon eine als innere Kammer 86, eine als Anschlußkammer mit einer öffnung 88 und eine als äußere Kammer 90 ausgebildet ist. Die innere Kammer 86 weist einen Teil 92 mit größerem Durchmesser im Bereich des inneren Endes 82 und einen Teil 94 mit kleinerem Durchmesser im Bereich der öffnung 88 auf. An der Übergangsstelle zwischen den Teilen 92 und 94 der Kammer 86 befindet sich ein Federsitz 96. An der Übergangsstelle zwischen der inneren Kammer 86 und der Anschlußkammer mit der öffnung 88 befindet sich eine kegelförmig ausgebildete Schulter 98, die als Führung für das thermisch betätigbare Ventil 74 dient. An der Übergangsstelle der äußeren Kammer 90 und der Anschlußkammer mit der öffnung 88 ist eine Schulter 100 vorgesehen, die einen Sitz 102 für das überdruckventil 76 aufweist. Vom mittleren Teil 78 erstreckt sich vertikal nach oben eine Nxederdruckabflußlextung 104, die mit der inneren Kammer 86 verbunden ist, während eine Hochdruckabflußleitung 106 mit der äußeren Kammer 90 verbunden ist. An die äußere Kammer 90 ist ferner eine Abflußleitung 108 angeschlossen, die sich diametral gegenüber der Hochdruckabflußleitung 106 nach unten erstreckt.

Das Thermostellglied 72 weist ein Gehäuse 110 auf, das im Bereich des inneren Endes 82 des Gehäuses 70 auf das Gewindestück 84 aufgeschraubt ist. Das Gehäuse 110 ist ferner mit einem Außengewinde versehen, das in den Anschlußflansch 66 eingeschraubt ist. Das Gehäuse 110 weist einen Meßwertumwandler auf, der aus einem Meßkolben 112 und einem Stellglied bzw. einem Balg 114 besteht. Ein Stellbolzen 116, der koaxial im Gehäuse 70 angeordnet ist, erstreckt sich von dem Stellglied 114 in die innere Kammer 86. Durch den Meßkolben 112 wird eine Temperaturveränderung erfaßt und dem Stellglied 114 übermittelt. Der hierdurch im Stellglied bzw. im Balg 114 auftretende Druckanstieg bewirkt eine Verstellung des

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Stellbolzens 116 und somit des Kolbens 118 in Richtung der öffnung 88. Auf dem Stellbolzen 116 ist der Kolben 118 geführt, der hierzu eine Sacklochbohrung 120 aufweist sowie am freien Ende eine Ringnut 121 und am gegenüberliegenden Ende einen Ringflansch 122. Der Kolben 118 ist mittels einer Feder 123 auf dem Stellbolzen gesichert, die zwischen dem Ringflansch 122 des Thermoventilkolbens 118 und dem Federsitz 96 wirkt. In der Ringnut 121 auf dem Thermoventilkolben 118 befindet sich ein O-Ring 124 (das Ventil befindet sich normalerweise in einer Durchflußstellung, Fig. 3).

Das als Niederdruckventil ausgebildete überdruckventil 76 ist in der äußeren Kammer 9 0 des Gehäuses 70 aufgenommen und weist eine Tellerdichtung 126 auf, die von einer Ventilführung 128 aufgenommen ist. Eine Feder 130 ist auf der Ventilführung 128 angeordnet und wirkt zwischen der Ventilführung und der Abschlußkappe 80. Das Überdruckventil 76 befindet sich gemäß Fig. 3 normalerweise in seiner Schließstellung.

Eine Niederdruckleitung 132 ist einenends an den Krümmer 62, der in der oberen Seite 50 des oberen Behälters 40 vorgesehen ist, und anderenends an die Niederdruckabflußleitung 104 der Ventilvorrichtung 68 angeschlossen. Eine Hochdruckleitung 134 ist einenends an die Leitung 60 des Stutzens 58 und anderenends an die Hochdruckabflußleitung 106 der Ventilvorrichtung 68 angeschlossen. Eine Ablaßleitung 136 ist an die sich nach unten erstreckende Abflußleitung 108 angeschlossen, so daß die Dämpfe nach unten abgeleitet werden können.

Der obere Behälter 40 ist normalerweise geschlossen und mittels einer Druckkappe 138 abgedichtet, die am Einlaßstutzen 54 angeschlossen und befestigt ist. Die Druckkappe 138 weist einen Dekkel 140, einen Vakuumventilteil 142 und ein Überdruckventil 144 auf. Ferner gehören zu der Druckkappe 138 ein Ventildichtelement 146, eine Feder 148 und ein Ventilsitz 150 sowie eine Fe-

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der 152. Das Vakuumventilteil 142 befindet sich normalerweise in einer Schließstellung gemäß Fig. 3.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 veranschaulicht, das lediglich den oberen Behälter 40' sowie den oberen Teil des Radiators 26' eines Kühlsystems 12' gemäß Fig. 1 wiedergibt.

Ein Einlaßstutzen 54' befindet sich über einer öffnung 56' in der oberen Seite 50' und weist einen ζylinderförmigen Stutzen 58' sowie eine Leitung 60' auf, die mit dem Inneren des Einlaßstutzens 54' in Verbindung steht und die sich seitlich horizontal oberhalb der Seite 50' erstreckt.

In einer weiteren öffnung 210 in der oberen Seite 50* links vom Einlaßstutzen 54' befindet sich ein einstellbares Überdruckventil 212, das sich normalerweise in seiner Schließstellung gemäß Fig. 4 befindet. Das Überdruckventil 212 weist einen zylindrischen Stutzen 214 auf, der an seinen beiden Enden geöffnet ist, jedoch am unteren Ende eine Blende 216 aufweist, die mit einer zentrisch angeordneten Bohrung 218 versehen ist. Ein Rohrstutzen 220 erstreckt sich horizontal seitlich nach rechts, während ein Abdampfstutzen 222 sich nach links erstreckt. Der Rohrstutzen 220 und der Abdampfstutzen 222 stehen mit dem Inneren des Stutzens 214 in Verbindung. Ein kolbenartiger Meßfühler 224 ist mit einem Meßkolben 228 ausgerüstet, der an seinem oberen Ende einen Flansch aufweist. Der Meßkolben 228 ist teilweise mit Druckmittel gefüllt und erstreckt sich durch die Bohrung 218. Zwischen dem oberen Ende des Meßkolbens 228 und dem Flansch 226 befindet sich ein ausdehnbarer Balg 230, der in dem Stutzen 214 aufgenommen ist und von dem Flansch 226 getragen wird, der mittels eines Federringes 232 im Flansch 226 gesichert ist. Auf den Meßkolben 228 ist ein ring^J förmiger Flansch 234 aufgeschoben, der auf einer Dichtung 2 36 aufliegt, die die Bohrung 218 abdichtet. Eine Druckablaßleitung 238 verbindet den Rohrstutzen 220 mit der Leitung 60¹. Eine Ablaßlei-

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tung 2 40 ist an den Abdampfstutzen 222 angeschlossen und erstreckt sich über einen 90°-Krümmer nach unten in den Bereich der Unterseite des Verbrennungsmotors.

Das Kühlsystem 12' ist ebenfalls wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 über eine Druckkappe 138' abgedichtet, die auf dem Einlaßstutzen 54' sitzt, der ebenfalls einen Deckel 140' sowie einen Vakuumventilteil 142" und einen Ventilsitz 146' und eine Feder 148' aufweist. Ferner ist die Druckkappe mit einem überdruckventil 144', einem Ventilsitz 150' und einer Feder 152' ausgerüstet.

Vor dem Arbeitseinsatz wird das Kühlsystem 12 mit Kühlmittel gefüllt, wobei im oberen Bereich des Behälters 40 ein Luftpolster gemäß Fig. 3 verbleibt, das sich ausdehnen kann. Danach wird die Druckkappe 138 aufgesetzt und das Kühlsystem 12 verschlossen. Das obere Vakuumventilteil 142 mit einem Einstellwert von beispielsweise 1,05 bar und das überdruckventil 76 mit einem Einstellwert von beispielsweise 0,49 bar befinden sich normalerweise in ihrer Schließstellung, während das thermogesteuerte Ventil 74 sich in seiner Durchflußstellung befindet, so daß zwischen dem Behälter und dem überdruckventil 76 über die Niederdruckleitung 132 und die Änschlußkammer 88 eine Druckmittelverbindung besteht. Wärmt sich die Maschine bzw. der Verbrennungsmotor nach einem Kaltstart auf, so expandiert das Kühlmittel bzw. Druckmittel und der Systemdruck steigt auf einen Einstellwert von etwa 0,49 bar an, so daß das Überdruckventil 76 sich öffnet und über die Ablaßleitung 136 zum Atmosphärendruck eine Verbindung herstellt. Danach begrenzt das überdruckventil 76 den Systemdruck auf 0,49 bar, bis die Temperatur des Kühlmittels im oberen Behälter 40 eine bestimmte Temperatur erreicht (ungefähr 110⁰C (230⁰F)), und zwar in Abhängigkeit der unterschiedlichen Einflüsse, denen der Verbrennungsmotor ausgesetzt ist. Hat sich das Druckmittel in dem Meßkolben 112 des thermogesteuerten Ventils 74 ausgedehnt, so bewirkt das Stellglied 114 eine Verstellung des Stellbolzens 116 nach links, der

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wiederum den Kolben 118 verstellt, so daß der O-Ring 124 die öffnung 88 verschließt. Durch diesen Abdichtvorgang wird die Kühlmitte lverbindung zwischen dem Überdruckventil 76 und dem Behälter 40 unterbrochen und bewirkt dadurch eine unwirksame Stellung des Überdruckventils 76. Tritt aufgrund des Motorverhaltens weiterer Temperaturanstieg im Kühlmittel auf, so steigt der Systemdruck weiter an. Dieser wird durch den oberen einstellbaren Wert von 1,05 bar über das einstellbare Überdruckventil 144 bestimmt. Steigt der Druck im Behälter 40 über 1,05 bar an, so öffnet sich die Druckkappe 138 und der Druck kann sich über die Hochdruckleitung 134 und die Ablaßleitung 136 sowie die äußere Kammer 90 entspannen.

Werden bei dem Verbrennungsmotor normale Arbeitsbedingungen angenommen, fällt die Kühlmitteltemperatur und somit auch der Druck, und liegt er unter 1,05 bar, so schließt sich das Überdruckventil 144. Fällt die Temperatur des Kühlmittels unter 110⁰C (230⁰F), so wird die Temperatur dieses Kühlmittels über den Meßkolben 112 des Ventils 74 erfaßt und die Zusammenziehung des Druckmittels bewirkt, daß das Stellglied 114 dem Stellbolzen 116 eine Verstellung ermöglicht, der den Kolben 118 trägt. Die Verstellung des Stellbolzens 116 geschieht unter der Wirkung des Federdruckes der Feder 123 nach rechts, so daß der O-Ring 124 die öffnung 88 freigibt, so daß das Überdruckventil 76 wieder den Systemdruck auf 0,49 bar begrenzt. Nachdem der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist, wird im Kühlsystem ein Unterdruck erzeugt, so daß das Vakuumventilteil 142 in der Druckkappe 138 geöffnet wird, so daß Außenluft in den oberen Raum des Behälters 40 eindringen kann.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist das Überdruckventil 76 in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Ventil 74 angeordnet, und zwar in der Abdampf- oder Ablaßleitung, zu der*der Krümmer 62, die Niederdruckleitung 132, das Gehäuse 70 und die Ablaßleitung 136 gehören. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das

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Überdruckventil 76 in Strömungsrichtung gesehen unterhalb des Ventils 74 in der Abdampfleitung vorgesehen werden kann, beispielsweise im Bereich der Anschlußstelle des Krümmers 62 an der oberen Seite 50 des Behälters 40.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist das Überdruckventil 212 so ausgelegt, daß es normalerweise geschlossen ist, auch dann, wenn eine relativ geringe Motortemperatur vorherrscht. Die Verbindung des Balges 230 zusammen mit dem Dampfdruck des Druckmittels innerhalb des Meßfühlers 224 bewirkt eine Ausdehnung des Balges 230 und eine Abwärtsverstellung der Dichtung 236 in eine Schließstellung. Wenn der Verbrennungsmotor und somit das Kühlmittel sich aufwärmen, so dehnt sich das Kühlmittel innerhalb des Meßkolbens 228 aus, der in das Kühlmittel des oberen Behälters 40' eingetaucht ist. Somit wird eine Abwärtsverstellung des Flansches 2 34 herbeigeführt und eine Erhöhung des Überdruckes im Kühlsystem hervorgerufen. Das Überdruckventil 212 kann als Druckablaßventil fungieren, und zwar in Abhängigkeit der Stellkräfte des Balges 2 30 und der Kompressibilität des Dampfes innerhalb des Meßfühlers 224. Ferner wirkt das Überdruckventil 212 als Feder mit einem Einstellwert, der in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur variiert. Wenn das Überdruckventil 212 geöffnet ist, kann der Druck des Kühlsystems über das Gehäuse des Ventils 212 und über die Ablaßleitung 2 40 entweichen.

Die Druck/Temperatur-Charakteristika des einstellbaren Überdruckventils 212 sind durch die nachstehend aufgeführten Parameter des Überdruckventils festgelegt, und zwar sind sie durch das Verhältnis des Durchmessers des Federbalges 230 zum Durchmesser der Bohrung 218 in der Blende 216 des Ventilgehäuses, den Anteil des Druckmittels, der sich im Meßfühler 224 befindet, und die Federkennrate des Balges 230 wiedergegeben. In einem typischen Anwendungsfall kann das überdruckventil 212 so ausgebildet sein, daß der effektive Überdruck linear zur Temperatur auf einen Druck von

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ca. 0,42 bar (6 psi) ansteigt, bis eine Temperatur von 107°C erreicht ist. Dies entspricht in etwa dem Dampfdruck des Druckmittels innerhalb des Balges 230 und des Meßfühlers 224, so daß oberhalb 107⁰C (225°F) der Druck relativ schnell ansteigt, wobei die Temperatur nur geringfügig zunimmt-, überschreitet der Wert des Überdruckes des Überdruckventils 212 den eingestellten Wert des Überdruckventils 144¹ (1,05 bar =15 psi), so wird der Systemdruck durch die Druckkappe begrenzt.

Es ist natürlich möglich, zusätzliche Federn in den Balg 230 einzusetzen, um die Federkennrate des Federbalges zu verändern und somit die Druck/Temperatur-Charakteristika des Ventils 212.

Sollte es erwünscht sein, so können auch die Abmessungen des Überdruckventils 212 derart bemessen sein, daß es bei einer bestimmten Temperatur geöffnet und bei einer bestimmten Temperatur mit einem Druck von 0 bar (0 psi) geschlossen ist. Danach kann das Überdruckventil 212 bei progressiv ansteigendem Druck über die Temperatur geschlossen werden.

Jedes beliebige druckabhängige Ventil, das im Aufbau dem Überdruckventil 212 entspricht, weist eine Überdruck/Temperatur-Charakteristik auf, die der Druck/Temperatur-Charakteristik gemäß Fig. 5 entspricht. Zwischen L und M steigt der Überdruck des Überdruckventils 212 mit der Temperatur linear an. An der Stelle M ist die Temperatur des Balges 230 derart, daß ein Wechsel des Zustandes des Kühlmittels eintritt und daß an dieser Stelle das Kühlmittel zu verdampfen beginnt und daß bei kleinem Temperaturanstieg der Dampfdruck sehr schnell ansteigt. Der Kurvenverlauf ist durch MN wiedergegeben. Auf dem Kurvenzweig MN ist ein schneller Überdruckanstieg. An dem Kurvenpunkt N ist das gesamte Kühlmittel in Dampf umgewandelt. Ein weiterer Temperaturanstieg im Balg 230 führt zu einem geringen Überdruckanstieg. Die Neigung des Kurventeiles NO für das Druck/Temperatur-Verhalten hängt von

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zahlreichen Variablen, so zum Beispiel von der Beschaffenheit des Druckmittels, ab. Es ist wünschenswert, ein Überdruckventil derart auszubilden, daß bei nachträglicher Dampfbildung im Kurvenbereich NO des Druck/Temperatur-Verhaltens der gewünschte obere maximale Überdruck für ein bestimmtes Kühlsystem erzielt wird. Dies macht insbesondere eine Überwachung der Menge des Druckmittels notwendig, so daß bei einer bestimmten Balgtemperatur, die der gewünschten oberen maximalen Temperatur des Kühlsystems entspricht, die Verdampfung beendet ist. Mit einem solchen Überdruckventil im Kühlsystem 12 ist ein Überdruckventil für einen oberen maximalen Überdruck, wie beispielsweise das überdruckventil 144', das in Fig. 4 dargestellt ist, nicht erforderlich.

Fig. 6 ist eine vereinfachte graphische Darstellung der Druck/Temperatur-Charakteristika des Kühlsystems 12, das in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. In dieser Graphik ist auch der Kurvenverlauf für ein typisches, konventionelles Kühlsystem mit einem einfachen überdruckventil, das für einen bestimmten Druck eingestellt ist, wiedergegeben. Ferner ist in Fig. 6 das Dampfdruck/Temperatur-Verhältnis (VP) für ein typisches Kühlmittel in einem Kühlsystem wiedergegeben. Die Charakteristika spiegeln Ergebnisse wieder, die die Abhängigkeit bestimmter Kühlsysteme bei bestimmten Werten zeigen, die in Abhängigkeit von den allgemein bekannten physikalischen Gesetzen sowie dem Druck, dem Volumen und der Temperatur eines Druckmittels stehen. Für jedes System, das in Fig. 6 veranschaulicht ist, wird angenommen, daß die Außentemperatur des Verbrennungsmotors und des zugehörigen Kühlsystems etwa 5⁰C aufweist und daß das Kühlsystem bei Beginn des Laufes des Verbrennungsmotors einem Atmosphärendruck (0 bar) ausgesetzt ist. Wird der Verbrennungsmotor 10 bei Startbeginn aufgewärmt, so besteht noch kein Überdruck. Der Druck steigt über die Temperatur linear an, wobei die Anstiegsrate etwas von dem Kühlsystem abhängt. Die Variationsbreite der Anstiegsrate hängt beispielsweise vom Kühlmittel und von der Kühlmenge ab. Typische Änstiegsraten eines Druck-

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anstieges sind durch die Kurvenscharen AGDB und AG¹D¹B¹ wiedergegeben .

Bei einem konventionellen druckbeaufschlagten Kühlsystem mit einem einfachen Überdruckventil für einen bestimmten öffnungsdruck, beispielsweise für 1,05 bar (15 psi), steigt der Druck gemäß B oder B¹ bei relativ kleiner Behältertemperatur an, wobei das Überdruckventil den Systemdruck auf 1,05 bar einstellt, während die Behältertemperatur weiterhin ansteigt (BC oder B¹C).

Im Falle eines Dualdruckverhaltens im System gemäß Fig. 3 steigt der Systemdruck bei anfänglicher Aufwärmung des Verbrennungsmotors auf etwa 0,49 bar (D oder D¹) an und bleibt danach konstant bei einem überdruck von 0,49 bar, während die Behältertemperatur auf 110⁰C ansteigt (D¹E oder DE). Bei dieser Temperatur schließt sich das thermogesteuerte Ventil 74 und versetzt das Überdruckventil 76 für 0,49 bar in eine unwirksame Stellung, wobei die Kühltemperatur gleichzeitig mit dem Systemdruck ansteigt. Die Druck/Temperatur-Kurve (EF) verläuft in etwa parallel zu der Kühlmitteldampfkurve (VP). Hat an der Stelle F die Behältertemperatur einen Wert von etwa 120⁰C bei einem Druck von 1,05 bar, der durch das Überdruckventil 144 bestimmt wird, dann führt jeder weitere Temperaturanstieg über 120⁰C zu einem Druckablaß bei einem konstanten Druck von 1,05 bar (FC).

Ein Druck/Temperatur-Verhalten für ein Kühlsystem, mit dem überdruckventil 212.gemäß Fig. 4 ist in Fig. 6 anhand der Kurven AG (oder G¹) HFC wiedergegeben. Bei einer Temperatur von etwa 5°C weist das einstellbare Überdruckventil 212 einen öffnungsdruck von etwa 0,14 bar auf (G¹¹). Wird der Verbrennungsmotor von einem Kaltstart bei ungefähr 5⁰C erwärmt, so steigt der Systemdruck infolge der Charakteristika des Kühlsystems auf einen Punkt G oder G¹ an, der der Kühlsystemtemperatur und dem Druck der Punkte auf der Kurve G¹¹H entspricht, die das überdruckverhalten des Ventils

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zwischen einer Temperatur von 5⁰C und 107⁰C wiedergibt. Der Teil G (oder G¹) H definiert also die Systemcharakteristik, wobei das Kühlsystem mittels des Überdruckventils 212 bei ansteigendem Druck bis zu einer Temperatur von 107⁰C gesteuert wird (H). Bei dieser Temperatur beginnt das gesamte Druckmittel im Federbalg 2 30 und in dem Meßfühler 224 zu verdampfen, so daß der Dampfdruck in dem Pederbalg und in dem Meßfühler sehr schnell ansteigt, so daß der effektive Überdruck bei geringer Temperaturzunähme sehr schnell ansteigt, bis eine maximale Behältertemperatur von 107⁰C sich eingestellt hat, die durch den Meßkolben 228 ermittelt wird (HJ). Bei einer Temperatur größer als 107⁰C steigt der effektive Systemdruck mittels des Überdruckventils 212 schneller an (HJ) als der Systemdruck gemäß dem Kurvenverlauf HF. Bei einem Wert F, der dem Systemdruck von etwa 10,5 Kp/cm² (15 pounds per square inch) und einer Behältertemperatur von etwa 120⁰C entspricht, öffnet sich das Überdruckventil 144' in der Druckkappe 138', um eine Druckentlastung des Kühlsystems herbeizuführen, so daß keine Temperaturerhöhung zu einem weiteren Druckanstieg führt (FC). Der Kurvenbereich HF gibt einen nicht entlastenden Anteil des Druck/Temperatur-Verhaltens des Kühlsystems wieder. Ob der Kurvenverlauf HJ steil oder weniger steil ist, hängt von der gesamten Vorrichtung ab.

Fig. 6 zeigt verschiedene Parameter eines Kühlsystems mit Überdruckeinrichtung, bei denen die Verbrennungsmotore eine größere Betriebsdauer erreichen. Mit einem derartigen Kühlsystem mit einem Druck/Temperatur-Verhalten wird ein Kurvenverlauf erzielt, der dem Kurvenverlauf der Dampfkurve VP entspricht. Die Druck/Temperatur-Kurve soll dabei nicht vollständig dem VP-Kurvenverlauf angeglichen werden, so daß die ungünstigen Einflüsse, die beim Verdampfungsprozeß auftreten, ausgeschaltet werden können. Der Wechsel von einem niederen Druckniveau bis zu einer bestimmten Temperatur zu einem höheren Druckniveau ermöglicht auch eine höhere Aufladung des Verbrennungsmotors, da gleichzeitig die Kapa-

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zität des Kühlsystems bei einer derartigen Anordnung erweitert werden kann. Das Dualdrucksystem wurde beispielsweise gemäß Fig. so ausgelegt, daß das Kühlmittel im oberen Behälter 40 auf eine Temperatur von etwa 110⁰C ansteigen kann, wobei der maximale Arbeitsdruck von 0,49 auf 1,05 bar ansteigt (7 psi auf 15 psi). Durch die Zunahme des Druckes wird die Dampftemperatur des Kühlmittels ebenfalls höher gesetzt, wodurch eine verzögerte Verdampfung im System herbeigeführt wird. Dadurch wären höhere' Arbeitstemperaturen ohne eine nachteilige Verdampfung möglich, und somit wäre die Kühlkapazität vergrößert, da die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und der Außenluft am Radiator ebenfalls vergrößert wird.

Durch das stufenlos einstellbare Drucksystem gemäß Fig. 4 kann eine höhere Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors mit der Zunahme der Kühlmitteltemperatur und eines progressiv ansteigenden Arbeitsdruckes (überdruck) erzielt werden, wobei der Arbeitsdruck in Abhängigkeit der Zunahme des Kühlbedarfs steht.

In beiden Beispielen eines Überdruckkühlsystems ist das System so ausgelegt, daß die Behältertemperatur des Kühlmittels der kritischen Temperatur der Verbrennungskraftmaschine entspricht (etwa 107⁰C bis 120⁰C). Der Druck/Temperatur-Verlauf (EF und HF gemäß Fig. 6) verläuft parallel zur Dampfdruckkurve des Kühlmittels (VP in Fig. 6), und somit tritt eine verzögerte Verdampfung des Kühlmittels zumindest dann ein, wenn ein Systemdruck von 1,05 bar überschritten wird, da der maximale Überdruck das entsprechende Ventil öffnet. An dieser Stelle verläuft die Druck/Temperatur-Kurve annähernd horizontal. Jeder weitere Temperaturanstieg führt zum Druckmittelverlust.

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L e e r s e i t e

Claims

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Patentan Sprüche

Verbrennungsmotor mit einem geschlossenen, einen Behälter für Kühlmittel aufweisenden Kühlsystem und mindestens einem Überdruckventil, das bei Überschreitung eines bestimmten Systemdruckes Druck aus dem Behälter abläßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Überdruckventil (76, 212) in Kühlmittelverbindung mit dem Behälter (40) steht, um den Behälterdruck bei Erreichung eines vorherbestimmbaren maximalen Wertes abzulassen, wobei dem Überdruckventil Stellglieder (Thermostellglieder 72, 224) wirkungsmäßig zugeordnet sind, die das Überdruckventil beeinflussen.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das normalerweise in Schließstellung befindliche, den Behälterdruck ablassende zweite Überdruckventil (212) zur Erzeugung eines bestimmten, einstellbaren maximalen Druckes vorspannbar ist, wobei das Überdruckventil in Abhängigkeit des ansteigenden Druckes als Funktion über der Temperatur -D = f (t°O- (AGHEFC) geöffnet wird.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (Thermostellglieder 72) einen die Temperatur des Kühlmittels erfaßbaren Energieumwandler (Meßkolben 112, Stellglied bzw. Balg 114) aufweisen.

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4. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Überdruckventil (144) den Behälterdruck auf einen oberen maximalen Wert begrenzt und das zweite Oberdruckventil (76) den Behälterdruck auf einen Wert absenkt, der kleiner als der erstgenannte Wert ist.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (Thermostellglieder 72) den Kühlmittelfluß aus dem Behälter (40) zum zweiten Überdruckventil (76) unterbrechende Absperrelemente (O-Ring 124) aufweisen.
6. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Überdruckventil (76) eine Ablaßleitung (Öffnung 88) aufweist, die zumindest Teil einer an den Behälter (40) angeschlossenen Kühlmittelleitung (Teil 78) ist, wobei die Ablaßleitung über das zweite Überdruckventil normalerweise abgesperrt ist, während das Absperrelement (O-Ring 124), das in der Ablaßleitung des Stellgliedes (Thermostellglied 72) vorgesehen ist, sich normalerweise in einer Durchflußstellung befindet und die Ablaßleitung in Abhängigkeit eines bestimmten Parameters des Verbrennungsmotors (10) absperrt, so daß der Behälter (40) dem durch das erste Überdruckventil (144) bestimmten Druck ausgesetzt ist.
7. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das

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zweite Überdruckventil (76, 212) in einer an die Druckkappe (138) angeschlossenen Kühlmittelleitung (Gehäuse 70), die mit ihrem einen Ende an den Behälter (40) und mit ihrem anderen Ende an eine Ablaßleitung (136) angeschlossen ist, vorgesehen ist und mittels Federkraft gegen die Wirkung des Kühlmitteldruckes im Behälter (40) verstellbar ist. ·
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende einer Niederdruckleitung (132) an den Behälter (40) und das andere Ende an eine Leitung (Gehäuse 70) zwischen dem zweiten Oberdruckventil (76) und dem Stellglied (Thermostellglied 72) angeschlossen ist.
9. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (Thermostellglied 72) aus einem in das Kühlmittel eintauchbaren Meßkolben (112) und einem sich anschließenden ausdehnbaren Balg (114) sowie einem Kolben (118) besteht, der mit einem Ventildichtelement (O-Ring 124) ausgerüstet ist, das bei Temperaturerhöhung gegen die Wirkung einer Feder (123) in eine Schließstellung bringbar ist und den Behälter (40) nach außen hin schließt.
10. Verbrennungsmotor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkolben (112) und der Balg (114) einteilig und zylinderförmig ausgebildet sind und der Meßkolben mit seiner Stirnfläche gegen die Innenseite einer Wand des Behälters (40) anliegt, während der Balg (114)

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sich durch eine Öffnung in der Wand des Behälters (40) erstreckt und den sich durch eine Feder (123) erstrekkenden Kolben (118) aufnimmt.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (Meßfühler 224) aus dem an der Wand des Behälters (40*) fest angeordneter Balg (230) gebildet ist, dessen freies Ende mit dem Meßkolben (228) verbunden ist, der sich durch die in der Wand des Behälters (40') vorgesehene öffnung erstreckt, wobei der Balg sich bei Temperaturanstieg ausdehnt und gegen ein die öffnung verschließendes Dichtelement (Dichtung 236) gepreßt wird.
12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (230) in eine mit der Druckkappe (138¹) verbundene Ablaßleitung (240) ragt.

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