DE3136673A1

DE3136673A1 - Stark aufgeladene und mit luftkuehlungssystem ausgestattete brennkraftmaschine sowie kuehlungssystem fuer derartige brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3136673A1
Application number: DE19813136673
Authority: DE
Inventors: Jean F. 75015 Paris Melchior
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-19
Filing date: 1981-09-16
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2490724A1; ATE16724T1; ES8206747A1; IN154635B; ZA816406B; CA1176064A; FR2490724B1; EP0048667A1; IL63836A0; JPS5783629A; US4485624A; EP0048667B1; ES505533A0

Description

PATENTANWÄLTE' " " "* DIPL.-ING. H. STEHMANN* DIPL.-PHYS. DR. K. SCHWEINZER**

O-esOO NORNBERQ 70 ESSENWEINSTRASSE 4-β TELEFON 0911/20 37 270 ■ TELEX 06/23135

Nürnberg, 15.09.1981 17/62

Jean F. MELCHIOR, 126 BId de Montparnasse, F - 75 015 Paris (Frankreich)

"Stark aufgeladene und mit Luftkühlungssystem ausgestattete Brennkraftmaschine sowie Kühlungssystem für derartige Brennkraftmaschinen"

• PATENTANWALT VON 1930 BIS 1980 " ZUGELASSENER VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrennungsmotoren, insbesondere Diesel-Motoren, die von mindestens einem Turbokompressor aufgeladen werden und mit einem Kühlsystem durch Fremdlüftung ausgestattet sind, welches aus mindestens einem Flüssigkeitskühler, aus mindestens einem Luftkühler, und aus mindestens einer Einrichtung zur Erzeugung eines Luft Stroms durch die beiden Kühler besteht, die mit druckerzeugenden Mitteln, die den genannten Kühlern (in Richtung des Luftstromes) vorgeschaltet sind, versehen ist und die mit mindestens einer Ummantelung in Verbindung steht, die die Luft zu den Kühlern leitet, wobei die beiden Kühler in Bezug auf den Luftstrom hintereinander angebracht sind und wobei der Flüssigkeitskühler zu einem geschlossenen Kreislauf der internen Motorkühlung durch Flüssigkeit gehört, während der Luftkühler zu einem Kreislauf der direkten Kühlung der vom Turbokompressor abgegebenen Aufladeluft gehört.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf Kühlsysteme für derartige aufgeladene Motoren.

. ·

Unter· "Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms durch die beiden Kühler" werden hier Luftdruck erzeugende Mittel verstanden, die mit einer oder mehreren Umtnantelungen in Verbindung stehen, die in der gesamten oder in einem Teil der wirksamen Stirnseite der genannten Kühler einmünden. Diese Luftdruck erzeugenden Mittel können beispielsweise aus einem oder mehreren Ventilatoren (Lüftern) bestehen, die die Luft in die genannte Ummantelung zurückdrücken. Bei einem Fahrzeug können diese Mittel das Fahrzeug selbst sein, das die Luft in Abhängigkeit von seiner eigenen Geschwindigkeit in die Ummantelung einleitet.

Unter "Flüssigkeitskühler" wird hier ein Wärmeaustauscher Luft/ Flüssigkeit verstanden, in welchem sich eine wärmeabführende,

im allgemeinen aus" einem Wasser-Glycol-Gemisch bestehende Flüssigkeit, die sich bei der Kühlung der Umhüllungen, des Zylinderkopfes und anderer Motorelemente, sowie beispielsweise der Ölpumpe, eventuell auch des Öls eines an den Motor ge— kuppelten Antriebs (Getriebe, Drehmomentwandler, usw.) erwärmt hat, durch den Kalorienaustausch mit der durch diesen Wärmeaustauscher Luft/Flüssigkeit zurückgedrückten· Luft gekühlt wird. Unter "Lüftkühler" wird hier ein Wärmeaustauscher Luft/ Luft verstanden, in weLchem die Aufladeluft, wenn sie sich

'^ aufgrund clor Kompression,, der sie in dem Turbokompressor ausgesetzt wurde, erhitzt hat, durch Kalorienaustausch mit der durch diesen Austauscher Luft/Luft zurückgedrückten Luft gekühlt wird, bevor sie zu der Brennkraftmaschine geleitet wird.

■

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Platzbedarf und nebenbei die Masse des Luftkühlungssystems einer Maschinenanlage, beispielsweise des Antriebsaggregats eines Fahrzeuges", zu reduzieren. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, die Leistungsaufnahme des Kühlsystems zu vermindern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer stark aufgeladenen Brennkraftmaschine mit hohem effektiven mittleren Druck der eingangs erläuterten Art im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Flüssigkeitskühler dem Luftkühler im Luftstrom nicht nach-, wie bekannt, sondern vorgeschaltet ist.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand beiliegender Zeichnungen ausführlicher erläutert, die einen Vergleich mit dem Stand der Technik erlauben, indem sie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie ihre wesentlichen Vorteile darstellen. Dabei zeigt:

Fig. 1 und 2 schematisch zwei aufgeladene Diesel-Motoren, die jeweils mit bekannten, jedoch voneinander unterschiedlichen Kühlsystemen ausgestattet sind,
Fig· 3 ermöglicht, die Wirksamkeit der Lösung gemäß

vorliegender Erfindung, mit der Wirksamkeit der bekannten Lösungen, wie in Fig. 2 dargestellt, zu vergleichen,

Fig. 4 schematisch, in einer Ansicht, die den Fig. 1 und 2 ähnlich ist, einen aufgeladenen Diesel-Mo

tor entsprechend einem besonderen Aüsführungbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine Weiterentwicklung der in Fig. 4 dargestellten Brennkraftmaschine,
Fig. 6 ein Arbeitsdiagramm,

Fig. 7 die Regulierung der Brennkraftmaschine von

Fig. 4i die gemäß Fig. 5 abgeändert worden ist, und .

Fig. 8, 9 und 10 jeweils eine Variante· eines Teils von Fig. 4. .

Zur besseren Verständlichkeit der vorliegenden Erfindung, der erfinderischen Tätigkeit, die sie erfordert hat, und ihrer wesentlichen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erscheint es zweckmäßig, diesen Stand anhand der Fig. 1 und 2 zu erläutern.

Die Kühlsysteme von Antriebsaggregaten, deren Brennkraftmaschine mit Hilfe einer Flüssigkeit gekühlt wird, arbeiten oft nach zwei verschiedenen Systemen, die hier als System A (Fig. 1) und Systeme B bezeichnet werden.

In allen Fällen wird nachstehend mit 1 die Brennkraftmaschine (Diesel-Motor) bezeichnet, mit 2 ihre Auspuffsammler, mit 3 eine Turbine, in welcher der Auspuffsammler einmündet, mit 4

\J I JUU / J

-S-

ein Schalldämpfer, den die Gase nach dem Austritt aus der Turbine durchströmen, mit 5 ein Aufladekompressor, der mit der Turbine- 3 einen Turbokompressor 6 bildet und der von der Turbine mit Hilfe einer Transmissionswelle oder ähnlichem 7 angetrieben wird, mit 8 ein am Eingang des Kompressors 5 montierter Luftfilter, mit 9 ein Kühlraum der Brennkraftmaschine 1, mit 10 ein Wärmeaustauscher zur Abkühlung der Auflade- - luft am Austritt aus dem Kompressor 5, mit 11 ein Zuleitungssammler der Brennkraftmaschine 1, mit 12 eine Transmission, insbesondere .ein an die Brennkraftmaschine gekuppeltes Getriebe, mit 13 ein geschlossener Kühlkreislauf mit wärmeabführender Flüssigkeit, mit 14 ein zum Kreislauf 13 gehörender Wärmeaustauscher (Flüssigkeitskühler), mit 15 ein von der Brennkraftmaschine 1 angetriebener Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes im Kühler 14 und mit 16 ein Wärmeaustauscher, der in der Regel zum Kreislauf 13 gehört und mit der Transmission 12 verbunden ist, "um das Öl dieser Transmission abzukühlen.

Gemäß dem bekannten System A, das in Fig. 1 abgebildet ist, ist der Wärmeaustauscher 10 ein Austauscher Luft/Flüssigkeit, der in dem Kühlkreislauf 13 dem Flüssigkeitskühler 14 nach- und dem Kühlraum 9 der Brennkraftmaschine 1 vorgeschaltet ist, so daß die wärmeab führende Flüssigkeit des Kreislaufs die Aufladeluft (Austauscher 10), den Motor 1 (Kühlraum 9) und das Öl des Getriebes 12 (Austauscher 16) nacheinander abkühlt und anschließend in dem Kühler 14 unter der Wirkung des Luftstromes, . der dort durch den Ventilator 15 erzeugt wird, abge-. kühlt wird.

Die Wärmeregulierung der wärmeabführenden Flüssigkeit ist in der Regel gesichert:

- durch die Drehgeschwindigkeit des Ventilators 15, proportional zur Geschwindigkeit der Brennkraftmaschine 1,

.- -6- - durch verschiedene thermostatische Regulierungsmittel.

Nachstehend die Wärmebilanz eines Diesel-Motors mit mäßigem effektiven mittleren Druck (PME) (unter 20 bar): 5

kW ' %

Kraft an der Trans	1100	36
missionswelle	180	6
Aufladeluft
wärmeabführende	600	20
Flüssigkeit + Öl/Motor	1100	'. ■ 36
Auspuff	60	2
Abstrahlung	3040	• -100
Treibstoff

. ·

Bei einer mit dem Kühlsystem A ausgestatteten Brennkraftmaschine (Fig. 1) teilt sich die aus der Kühlflüssigkeit zu entziehende Kraft wie folgt auf (in kW):

. Aufladeluft . Flüssigkeit + Öl/Motor . Getriebe 12

1030.

Um diese Kraft zu entziehen, bedient man sich folgender Lösung (!)■:

. Leistung der Pumpe des	36 m³/h (Flüs
Kreislaufs 13
. Leistung des Venti	30 kg/s (Luft)
lators 15
. Druckhöhe des	0,04 bar
Ventilators 15
. Leistungsaufnahme	150 kW
des Ventilators
. Lufterhitzung	5°C.
durch den Ventilator

-T- -JiO-

In Fig. 1 wurden die meisten obenerwähnten Zahlenwerte, sowie die Temperatur- und Druckwerte nur an den wichtigsten Punkten des Kreislaufes angegeben. So wurde in Höhe des Flüssigkeitskühlers 14 die mittlere Austrittstemperatur (T = 74 C) der •3 Kühlungsluft angegeben.

Die Vorteile der Lösung A sind folgende:

- einziges Lüftungssystem;

- natürliche Wärmeregulierung der Aufladeluft bei niedrigen Drehzahlen dank der Regulierung der Kühlflüssigkeitstemperatur;

- Möglichkeit, den Kühler 14 von der Brennkraftmaschine 1 ohne weiteres zu entfernen (Flüssigkeitsrohr des Kreislaufes 13 mit geringem Durchmesser).

·

Die Nachteile sind folgende:

- sehr starke Lüftungsluftleistung, daher sehr umfangreiches Lüftungssystem und sehr hohe Leistungsaufnahme der Lüftung;

- Schwierigkeiten, niedrige Lufttemperaturen am Einlaß . der Brennkraftmaschine 1 zu erhalten;

- Gefahr von Interferenzen zwischen dem Flüssigkeitsund dem Luftkreislauf.

Was den letzten Nachteil anbetrifft: Wenn der Druck der Aufladeluft höher ist als der Druck der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine, hat eine undichte Stelle am Aufladeluftkühler 10 zur Folge, daß Luft in diese Flüssigkeit eindringt, wobei das Risiko auftritt, daß die Pumpe des Kreislaufes 13 leer läuft und die Brennkraftmaschine 1 zerstört wird.

Das bekannte System B unterscheidet sich dadurch vom System A, daß der Wärmeaustauscher 10 kein Austauscher Luft/Flüssig-

keit, sondern ein vom Kreislauf 13 unabhängiger Austauscher Luft/Luft (Luftkühler) ist.

Die Regulierung der beiden Kühler 10 und 14 kann einfach (der oder die Ventilatoren laufen parallel zueinander) oder doppelt (der Luftkühler 10 und der Flüssigkeitskühler 14 haben beide ihren eigenen Ventilator, dessen Regulierung unabhängig von der des anderen Ventilators ist) sein.

Bei schwach aufgeladenen Brennkraftmaschinen ist die Lufttemperatur am Eingang in die Brenn kraft ma sich ine I relativ gering. Bei einer Umgebungsluft von 40 C und einem. Aufladungswert von 2,5 sind die Lufttemperaturen folgende:

· . Umgebung T₁ = -40⁰C

. Austritt aus dem Kompressor 5

(Eintritt in den Kühler 10)
. Austritt aus dem Kühler 10

(Eintritt in den Kühler 10) ^T2 ^{= 170}°^C

(Eintritt in den Motor 1) T'₂ = 60°C.

Diese Daten erfordern einen Kühler 10, dessen thermometrischer Wirkungsgrad

T-T' 110

/VI th - 9 9

™ ^th - __~ _ = = 0,85

T₂ - T₁ 130

hoch ist.

Bei dem gewählten Beispiel einer Brennkraftmaschine yon OQ HOOkW mit mäßigem effektiven mittleren Druck beträgt die aus dem Luftkühler 10 entzogene Kraft ca. 200 kW. Dagegen ist die aus der Flüssigkeit 14 zu entziehende Kraft sehr viel höher (ca. 850 kW bei dem gewählten Beispiel). Diese beiden Kühler sind also stark unsymmetrisch und würden im Falle einer Kühlung durch getrennte Ventilaloren sehr unterschiedliche Ein-

richtungen benötigen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, und im Hinblick auf die jeweiligen Temperaturhöhen auf der Luftseite (60⁰C) und auf der Flüssigkeitsseite (ca. 100°C), können die Kühler 10 und IU unterschiedlich angeordnet werden, wie dies bekannt (GB-A 1.017.156) und in Fig. 2 abgebildet ist, wobei sie hintereinander angebracht werden, so daß der Flüssigkeitskühler 14 dem Luftkühler 10 in dem vom gemeinsamen Ventilator 15 erzeugten Luftstrom nachgeschaltet ist, woraus sich folgende Vorteile ergeben:
10

- bessere Ausnutzung der Stirnseite;

- Reduzierung der Lüftungsleistung;

- alleiniges Lüftungssystem.

Bei einer mit diesem Kühlsystem B ausgestatteten Brennkraftmaschine (Fig. 2) teilt sich die aus der Kühlflüssigkeit zu entziehende Kraft wie folgt auf (in kW):

. Flüssigkeit + Öl/Motor 600

. Getriebe 12 250

850.

Um diese Kraft zu entziehen, bedient man sich als Beispiel folgender Lösung (II):
25

. Leistung der Pumpe des Kreislaufs 13 90m³/h . Leistung des Ventilators 15 22 kg/s . Druckhöhe des Ventilators 15 0,06 bar . Leistungsaufnahme des Ventilators 154 kW . Lufterhitzung durch den Ventilator 7 C.

Diese Lösung (II) unterscheidet sich von der oben beschriebenen Lösung (I) durch eine größere Leistung der Pumpe des

Kreislaufs 13 und durch eine kleinere l.oisiung des Ventilators 15· Im Falle der Lösung (II) ist die Druckhöhe dem Laclungsverlust im Wasserkühler 14 (0,04 bar wie zuvor) gleich, erhöht um den Ladungsverlust des Luftkühlers 10 (0,02 bar).

Bei einer Kühlluft von 42°C und einem Luftkühler mit einem thermometrischen Wirkungsgrad von 0,83 erhält man eine Austrittstemperatur der Aufladeluft von: ·

T'₂ .= 170 - 0,83 (170 - 42.) = 64°C.

Die in Fig. 2 abgebildete Lösung bietet folgende Vorfeile:

1) einziges Lüftungssystem;

2) Reduzierung bzw. Ausschaltung der Nachteile der Lösung A durch

- Beseitigung der Interferenzrisiken zwischen dem Luft-' un'd Flüssigkeitskreislauf;

- Möglichkeit der Reduzierung der Lüftungsleistung; - Möglichkeit, niedrige Lufttemperaturen am Eintritt der Brennkraftmaschine 1 (64 C im genannten Beispiel) zu erhalten;

- Möglichkeit, die Pumpenleistung im Kreislauf 13-zu erhöhen und mit geringen Temperaturunterschieden zu arbeiten.

Dagegen weist die in Fig. 2 abgebildete Lösung folgende Nachteile auf:

1) sie erfordert, die Aufladeluft unter Druck durch platzraubende Röhren bis zum Kühler 10 zu leiten, wenn dieser von der Brennkraftmaschine weit entfernt ist;

2) im Gegensatz zur Lösung A sichert sie keine natürliche thermische Regulierung bei niedrigem Kraftaufwand und bei kaltem Wetter; in der Tat saugt die Brennkraftmaschine bei ausgeschalteter Lüftung und bei starker Kälte sehr kalte

ο ιοϋϋ/ο

-H-

I.ijl'l Mn, wcib IUt ihre Kutikllon sehr michU'ilig ii-.l. Dieser Nachteil tritt sogar bei warmer Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine 1 aufgrund der Stellung des vorgeschalteten Luftkühlers 10 vorübergehend auf. 5

Um-letzteren Nachteil auszuschalten, ist es unmöglich, den Luftkühler 10 und den Flüssigkeitskühler 14 untereinander auszutauschen, d.h., den Luftkühler 10 nach dem Flüssigkeitskühler 14 (in dem vom Ventilator 15 erzeugten Luftstrom) anzubringen, wie in Fig. 3 angenommen wird. In der Tat, wenn man will, wie im genannten Heispiel der IMg. 2, daß die Aufladeluft temperatur beim Verlassen des Kühiers 10, der wie zuvor einen thermometrischen Wirkungsgrad von 0,83 hat, 64 C nicht überschreitet, müßte die mittlere Temperatur beim Eintritt in den Kühler 10 folgende sein:

T = 170 - ¹⁷° - ^U = 42^oC'

m

0,83

d.h. dieselbe Temperatur wie beim Eintritt in den Wasserkühler: · . ■
Eine unendliche Lüftungsleistung wäre dafür notwendig.

Um eine Austrittstemperatur der Aufladeluft von 74 C, wie im Beispiel der Fig. 3, statt von 64 C, wie im Beispiel der Fig. 2, zu erhalten, brauchte man eine Lüftungsleistung von 70 kg/s (Aufnahmeleistung 490 kW!), was absolut unmöglich ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Brennkraftmaschine gemäß vorliegender Erfindung sehr stark aufgeladen ist und mit hohem effektiven mittleren Druck (P.M.E.) (in der Regel höher als 20 bar, vorzugsweise 30 bar). Diese Brennkraftmaschinen mit geringem Raumverhältnis (in Höhe von 7) haben eine vollkommen andere Wärmebilanz als die Brennkraftmaschinen mit mäßigem effektiven mittleren Druck, welche approximativ folgendermaßen aussieht:

-LiT-

	kW	%
Kraft an der Transmissionswelle	1100	36
Aufladeluft	592	19,5
wärmeabführende Flüssigkeit
+ Öl/Motor	300	10
Auspuff	925	30,5
Abstrahlung	123	. 4

3040 100.

Beim Vergleich mit den sogenannten "klassischen" Lösungen · reduziert sich der Posten "wärmeabführende Flüssigkeit" um die Hälfte, während der Posten "Aufladeluft" sich verdreifacht.

Es ergibt sich daraus eine thermische Leistung von:

Kühler Luft/Luft 592 kW

Kühler Flüssigkeit/Luft 550. kW,

wobei sich der letzte Wert wie folgt zusmmensetzt: 20

wärmeabführende Flüssigkeit + OL/Mot.or 300 kW

Getriebe 12 -. 250 kW.

Im Gegensatz zu der in Fig. 2 abgebildeten Lösung stellt man fest, daß die beiden Luft- und Flüssigkeitskühler 10 und 14 in etwa symmetrisch sind. Andererseits nehmen stark aufgeladene Brennkraftmaschinen mit hohem effektiven mittleren Druck, aufgrund ihres verminderten Raumverhältnisses, höhere Temperaturen der einströmenden Luft (in der Größenordnung von 100 C)

Gemäß der Erfindung ist also der Flüssigkeitskühler 14 in dem vom Ventilator 15 erzeugten Luftstrom nicht nachgeschaltet, wie bekannt (Fig. 2), sondern vorgeschaltet, wie in Fig. 4 schematisch abgebildet, wobei der Luftstrom mit parallelen, waagerechten Pfeilen dargestellt ist, wie übrigens auch bei den vorhergehenden Figuren).

Diese neue Anordnung der Kühler 10 und 14-, die sich offensichtlich nicht aus dem Stand der Technik ergibt, wie aus den Erläuterungen, bezüglich der Fig. 3 hervorgeht, bietet folgende Vorteile:

1) Sehr große Reduzierung der Lüftungsleistung, daher:

- Reduzierung des Platzbedarfes des oder der Ventilatoren 15;

- Reduzierung der Stirnseite der Kühler 10 und 14 (was eine Reduzierung der Ein— und Austrittsöffnuhgen der Lüftungsluft im Motorraum zur Folge hat);

- Lärmverminderung des Lüftungssystems.

2) Bei gleicher Durchlässigkeit der Kühler 10 und 14, bedeutende Reduzierung der Aufnahmeleistung der Lüftung, so wie es sich aus- folgender Vergleichstabelle ergibt:

	Stand der Technik	•Beispiel Fig. 2	Erfindung
■	Beispiel Fig. 1	0,04+0,02 7 22 154	Beispiel Fig. 3
Druckhöhe (bar) AT der Lüftung (°C) 'Lüftungsleistung (kg/s) Leistungsaufnahme (kW) -	0,OA 5 30 150	0,04+0,02 " .7 12 84

3) Natürliche Regulierung der Temperatur der Aufladeluft· In der T=at bildet der Flüssigkeitskühler 14, bei kaltem Wetter und warmem .Motor, eine Wärmebarriere zum Schutz des Luftkühlers 10: Bei vorübergehendem Zurückschalten · auf kleinere Drehzahlen besteht kein Risiko mehr, daß die Brennkraftmaschine 1 durch Zufuhr kalter Luft abstirbt. Bei- stark aufgeladenen Brennkraftmaschinen (mit niedrigem Raumverhältnis) ist das Problem des Betriebs bei geringen Drehzahlen kritisch: Dieser Vorteil ist also ausschlaggebend.

diese Möglichkeit wird noch durch Verbesserungen bekräftigt, die nachstehend beschrieben werden (gegenseitige Ver-

-κ-

Schiebung der Kühler 10 und 14, Regulierung in Bezug auf die Kühlungsluft).

Es ist zu vermerken, daß die beiden Kühler 10 und 14 sowohl flach als auch von jeglicher anderer Form sein können. Sie können sowohl hintereinander, wie im Beispiel der Fig. 4, 5 und 7, als auch getrennt, wie im Beispiel der Fig. 8, ange- ■ bracht werden. Im letzten Fall besteht die Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstromes durch die gesagten Kühler 10 und 14 aus in Fig. 8 mit den Pfeilen 35 dargestellten druckerzeugenden Mitteln, die mit einer Ummantelung 36 verbunden sind, damit die Lüftungsluft den Flüssigkeitskühler 14. und anschließend den Luftkühler 10 durchströmen kann/

Gemäß einer Weiterentwicklung, die in Fig. 9 und ebenfalls in Fig. 4, 5 und 7 abgebildet ist, ist die Ummantelung 36 in einen ersten Kanal 37, der einen Teil der gesamten Lüftungsluft zu der ganzen wirksamen Stirnseite des Flüssigkeitsküh-· lers 14 und anschließend zu nur einem Teil 38 der wirksamen Stirnseite des Luftkühlers 10 zuführt, und in einen zweiten Kanal 39 unterteilt, der den anderen Teil des gesamten Luftstroms zu dem restlichen Teil 40 des Luftkühlers 10 direkt zuführt, ohne den Flüssigkeitskühler 14 zu passieren, wobei dieser Teil 40 sich an der Seite des Austritts der Aufladeluft aus dem Luftkühler 10 befindet.

Es versteht sich von selbst, daß die Teile 38 und 40 des Kühlers 10 zu einem einzigen Kühler gehören oder von zwei getrennten, hintereinander angebrachten Kühlern gebildet werden können. '

Die druckerzeugenden Mittel, die die Luftströme in die Kanäle 37 und 39 einführen, können getrennt oder vereint sein. Sind sie getrennt, wir in Fig. 9 mit 35i und 35,, srhemrit isch darqrstellt, so können sio unabhängig voneinander regulier·! wcrcli'n.

- 15 -

Sind sie vereint, so können die durch die beiden Kanäle 37 und 39 fließenden Luftströme mit Hilfe von Drosselungsmitteln mit veränderlichem Durchgangsquerschnitt 41» die an irgendeinem Punkt des Kanals 39 eingebaut sind, reguliert werden. diese Drosselungsmittel mit veränderlichem Durchgangsquer schnitt sind beispielsweise eine Klappe oder irgendein anderes gleichartiges Element, welches in dem Kanal 39 vor dem Teil 40 des Luftkühlers 10 angebracht ist, oder auch eine Jalousie, die den Zu- und Abgang der Kühlungsluft im Teil 40 mehr oder weniger versperrt.

Gemäß einer besonderen Anordnung, die in. Fig. 4, 5 und 7 gezeigt ist, hat .der Luftkühler 10 eine größere wirksame Stirnseite als der Flüssigkeitskühler 14, wobei sich der überstehende Teil 17 des. Luftkühlers 10 an der Seite des Austritts der Aufladeluft" aus. dem Luftkühler 10 befindet (die Richtung der durchfließenden Aufladeluft in dem Kühler 10 ist von einem Pfeil . schematisch angezeigt). Zu diesem Zweck, nachdem die beiden Kühler 10 und 14 flach sind und in etwa dieselbe Breite (senk-

20. recht zum Plan der Fig. 4, 5 und 7) haben, ist der Luftkühler 10 vorzugsweise höher (senkrecht in den Fig. 4, 5 und 7 dargestellt) als der Flüssigkeitskühler 14.

. · Gemäß einer besonders vorteilhaften Lösung beträgt die Stirnfläche des überstehenden Teiles 17 des Luftkühlers 10 ungefähr 20 % der Stirnfläche des Flüssigkeitskühlers 14; das bedeutet, bei gleicher Breite der beiden Kühler, eine Länge, die ungefähr 20 % der Länge des Flüssigkeitskühlers entspricht.

Diese gegenseitige Verschiebung der Kühler 10 und 14 verleiht der Temperaturregelung einen großen Spielraum. Ein thermome— trischer Wirkungsgrad von 0,83 ist in der Tat ein allgemein optimaler Wert in Hinsicht auf den Raumbedarf des Luftkühlers 10 (ein Wirkungsgrad von 1 entspricht einem, unendlichen Raumbedarf). Wenn die Aufladeluft mit 347 C und die Lüftungsluft

- VB -

mit einer Durchschnittstemperatur von 97°C, infolge der Erhitzung im vorgeschalteten Flüssigkeitskühler 14, in den 'Kühler 10 eintritt, verläßt die Aufladeluft den Kühler 10 mit einer Temperatur von 347 - 0,83 (347 - 97) = 140⁰C.

Bei maximaler Drehzahl muß die Lufttemperatur am Einlaß in die Brennkraftmaschine 1 ca. 100 C betragen. .Die endgültige Abkühlung der Aufladeluft von 140°C auf 100°C ist durch den überstehenden Teil 17 gesichert, der nicht die Kühlungsluft von 97 C, sondern von 42 C aufnimmt, nachdem diese Lüftungs luft nicht beim Durchströmen des Wasserkühlers 14, sondern nur unter der Kompressionswirkung des Ventilators 15 erhitzt wurde. ■ ' '

Gemäß einer in Fig. 5 abgebildeten. Weiterentwicklung werden Drosselungsmittel mit veränderlichem Durchgangsquerschnitt vor dem Teil 17 des Luftkühlers 10 (in Bezug auf den vom Ventilator 15 erzeugten Luftstrom) abgebracht. Diese Drosselungsmittel werden vorzugsweise durch Mittel gesteuert, die von der Temperatur der Aufladeluft am Austritt aus dem Luftkühler abhängig sind und die ihren Durchgangsquerschnitt verringern, wenn die Temperatur unter eine bestimmte Schwelle (T' ), fällt.

Wenn die druckerzeugenden Mittel, die die Lüftungsluft durch die beiden Kanäle 37 und 39 strömen lassen, getrennt sind, . wie in Fig. 9 dargestellt, können sie beisielsweise von zwei unabhängig voneinander eingestellten Ventilatoren gebildet werden, wie in Fig. 10 dargestellt.

Ein von der Brennkraftmaschine 1 angetriebener Hauptventilator 15, versorgt den ersten Kanal 37· Ein von einem Elektro-'Motor 42 angetriebener Hilfsventilator 15^ versorgt den zweiten Kanal 39. Eine in der Aufladeluft am Ausgang aus dom Luftkühler 10 angebrachte Wärmesonde 44 ist mit einem Komparator 43 verbunden, der die elektrische Versorgung des Motors 42 abschaltet,

- ■*■? -

sobald die Temperatur der Aufladeluft unter eine vorgegebene Schwelle (T¹^₁ fällt.

Wie in Fig. 5 dargestellt, besitzt der überstehende Teil 17 eine Ummantelung oder Verkleidung 19, die die vom Ventilator 15 zurückgedrückte Kühlungsluft kanalisiert und den Flüssigkeitskühler 14 überbrückt. An der Eintrittsöffnung der Verkleidung 19 befindet sich eine Klappe 20 oder ein gleichartiges Drosselungselement, das von einem Hydraulikzylinder 21 ge steuert wird, dessen normale Stellung der vollen Öffnung der Klappe 20 entspricht, so daß für die Sicherheit im Falle eines Defektes am Hydraulikkreislauf, der den Zylinder 21 versorgt, (undichte Stelle, Rohrbruch, Verstopfung, defekte Pumpe, -usw.) gesorgt wird. Dieser Hydraulikkreislauf versorgt mit Öl unter Druck den Zylinder 21 durch das Rohr 22, welches eine veränderbare Ausflußöffnung besitzt, die von einem beweglichen Zuhaltestift 23 in einem festen Sitz 24 begrenzt ist. Eine Feder 25 preßt· einen beweglichen Kolben 26 des Zylinders 21 gegen das Öl unter Druck, das durch das Rohr 22 eingelassen wird, in der Richtung, die die volle Öffnung der Klappe 20 bewirkt. Der Zuhaltestift 23 wird von einem, von der Austrittstemperatur der Aufladeluft abhängigen, thermostatischen Element betätigt, das beispielsweise aus einem hohlen Stab 27 besteht. Infolge /seiner Ausdehnung zieht der Stab 27, der den Zuhaltestift 23 trägt, diesen aus dem Sitz 2.4 oberhalb der obenerwähnten Temperaturschwelle heraus. Dadurch fällt der Druck in dem Zylinder 21 aufgrund der kalibrierten Öffnung 28 zwischen diesem Zylinder 21 und dessen Versorgung' mit Öl unter • Druck ab. Der Druckabfall in dem Zylinder 21 bewirkt das öffnen der Klappe 20 und eine Steigerung der Lüftungsluftleistung auf den überstehenden Teil 17 des Luftkühlers 10.

Bei voller Öffnung kann der Durchgangsquerschnitt der Klappe ■20 ausreichend klein sein, so daß der durch die durchströmende Aufladeluft in diesem Querschnitt verursachte Ladungsver-

- 48 -

lust dem Ladungsverlust durch den Flüssigkeitskühler XL, in etwa entspricht. Wenn es der Platz erlaubt, kann jedoch die Klappe 20 in voll geöffneter Stellung durchlässiger- sein; in diesem Fall kann der überstehende Teil 17 kleiner sein. Ein Kompromiß hinsichtlich des Platzbedarfes ist gegeben.

Die Erfindung erlaubt eine leichte Regulierung der Lüftungsluft auf zweierlei Art:

in erster Linie ist die Geschwindigkeit des Ventilators 15, der von der Brennkraftmaschine 1 angetrieben wird, proportional zu Geschwindigkeit dieser Brennkraftmaschine, mit einem vorzugsweise regulierbaren Proportionalitätskoeffizienten, der beispielsweise mit Hilfe einer hydrostatischen Leitung bekannten Typs, die mit 29 in Fig. 7 schematisch dargestellt ist, .geregelt wird. ' ' '

Dieser Proportionalitätskoeffizient kann moduliert· werden .in Abhängigkeit von:

a) der Temperatur T der Flüssigkeit am Eingang in

den Kühler 14, so daß diese Temperatur unter einer Schwelle (T ) (Höchsttemperatur des Kühlwassers) liegt oder ihr gleich ist. ' ' ■

-

b) der Temperatur T'„ der Aufladeluft am Ausgang aus dem Luftkühler 10, so daß diese Temperatur unter ' einer Schwelle (T'₂) (Höchsttemperatur der Luft, die in· die Zylinder des Motors 1 eindringt) liegt oder ihr gleich ist.

In Fig. 7 ist die Modulation des Proportionalitätskoeffizienten durch eine gegenüber der Temperatur T ι empfindliche Sonde 30, die mit einem ersten Komparator 31 verbunden ist, und durch eine gegenüber der Temperatur T'„, empfindliche'Sonde 32, die mit einem zweiten Komparator 33 verbunden ist, schema-

-JS -

tisch dargeslcLlt, wobei diese Komparatoren 31 und 33 Modulationssignale in eine mit der hydrostatischen Leitung 29 verbundene Steuerung 34 schicken, um das Verhältnis zwischen der EinLritts- und Austrittsgeschwindigkeit dieser Leitung zu ändern.

In zweiter Linie schließt sich die Klappe 20, die die Leistung " . der Kühlungsluft reguliert, die den überstehenden Teil 17 des Luftkühlers 10 direkt versorgt, sobald die Temperatur der Kühlungsluft .unter eine bestimmte Schwelle (T¹^)₁ fällt.

In Fig. 6 wurde die Reihenfolge der zwei Modulationstypen, in Abhängigkeit von der Temperatur T'₂ der Aufladeluft am Austritt aus dem Luftkühler 10, auf einer doppelten Achse der Ordinate dargestellt, wobei die Achse Y dem Öffnungsgrad der Klappe '20 und die Achse Z der Geschwindigkeit des Ventilators 15 entspricht." Die Ordinate a_ zeigt das Schließen und die Ordinate b_' die volle Öffnung der Klappe 20, die Ordinate c_ die Mindestgeschwindigkeit und die Ordinate d die Höchstgeschwindigkeit des Ventilators 15.

Wie man sieht, müssen die Schwellen (T'_o) und (T'_o)_n nicht

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unbedingt gleich sein. Zur Vermeidung von Kopplungen zwischen den beiden Regelungen in Bezug auf die Aufladeluft ist es sogar wünschenswert, die Regelungsschwellen so einzustellen, daß (T^)₁ unter (T'₂) liegt.

Selbstverständlich kann der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 auf bekannte Weise kurzgeschlossen werden, wenn die Eintrittstemperatur der Kühlflüssigkeit in die Brennkraftmaschine unter einer vorgegebenen Schwelle, beispielsweise von 80⁰C, wie in Fig. 7 schematisch gezeigt, liegt oder ihr gleich ist.

Bei der Beschreibung der Figuren war nur die Rede von einem Turbokompressor 6, einem Luftkühler 10, einem Flüssigkeitskühler 14 und einem Ventilator 15- Es versteht sich von selbst, daß sich die Erfindung genauso gut anwenden läßt^ wenn zwei oder mehrere dieser Elemente parallel angeordnet würden.

Claims

PATENTANWÄLTE

DJPL.4NG. H. STEHMANN* DIPL.-PHYS: DR. K. SCHWElNZER**

D-8500 NÜRNBERG 70 · ESSENWEINSTRASSE 4-6 ■ TELEFON 0911/203727 0 · TELEX 06/23135

Nürnberg, 15.09.1981 17/62

Ansprüche

1Λ Brennkraftmaschine, die von mindestens einem Turbokompressor aufgeladen wird und die mit einem Kühlsystem durch Fremdlüftung ausgestattet ist, welches aus mindestens einem Flüssigkeitskühler, aus mindestens einem Luftkühler und aus mindestens einer Einrichtung zur Erzeugung eines Luftstroms durch die beiden Kühler besteht, die mit druckerzeugenden Mitteln, die den Kühlern (in Richtung des Luftstroms) vorgeschaltet sind, und die mit mindestens einer Ummantelung (Hüllrohr), die die Luft zu den Kühlern leitet, in Verbindung steht, wobei die beiden Kühler in Bezug auf den Luftstrom hintereinander angebracht sind und wobei der Flüssigkeitskühler zu einem geschlossenen Kreislauf der internen Kühlung der Brennkraftmaschine durch Flüssigkeit gehört, während der Luftkühler zu einem Kreislauf der direkten Kühlung der vom Turbo.kompressor abgegebenen Aufladeluft gehört, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskühler(14)im Luftstrom dem Luftkühler( 10) vorgeschaltet ist, wobei die Brennkraftmaschine (1) stark aufgeladen ist und einen hohen effektiven mittleren Druck hat.
2. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obenerwähnten druckerzeugenden Mittel aus mindestens einem Lüfter (15 )bestehen, der die Luft in die besagte Ummantelung zurückdrückt.
3. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung in einen ersten Kanal, der einen ersten Teil des gesamten Luftstroms auf den gesamten Flüssigkeitskühlet (K), anschließend auf einen Teil

PATENTANWALT VON 1930 BIS 1980 " ZUGELASSENER VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

des Luftkühlers (10) zuführt, und in einen zweiten Kanal unterteilt ist, der den komplementären Teil des gesamten Luftstroms direkt auf den restlichen Teil des Luftkühlers (10), der sich in der Nähe des Aufladeluftäustritts dieses Luftkühlers (10) befindet, zuführt.
4· Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanäle mit jeweils voneinander unabhängigen druckerzeugenden Mitteln ausgestattet sind.
5. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanäle Luftströme leiten, die von den gleichen druckerzeugenden Mitteln hervorgerufen werden, und daß der zweite Kanal mit Drosselungsmitteln mit veränderlichem Durchgangsquerschnitt versehen ist.
·
6. Hrennkriif.nnaiichine gorriäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselungsmittel von Mitteln gesteuert werden, die von der Temperatur der Aufladeluft am Austritt aus dem Luftkühler abhängig sind und die den Durchgangsquerschnitt dieser Drosselungsmittel verringern, sobald die besagte Temperatur unter eine bestimmte Schwelle (T'„L fällt.
7. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckerzeugenden Mittel, die den zweiten Kanal versorgen, aus mindestens einem Lüfter bestehen, der von Mitteln gesteuert wird, die von der Temperatur der Aufladeluft am Austritt aus dem Luftkühler abhängig sind und die den Lüfter abschalten, sobald die besagte Temperatur unter eine

• bestimmte Schwelle (T ¹^₁ fällt.
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8. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkühler (10) eine größere wirksame Stirnfläche hat als der Flüssigkeitskühler (14) und in etwa direkt am Luftaustritt des Flüssigkeitskühlers (14) angeordnet ist, wobei sich der überstehende Teil des Luftküh-. · lers (10) an der Seite des Austritts der Aufladeluft aus diesem Luftkühler (10) befindet.
9. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftkühler (10) höher ist als der Flüssigkeits- kühler (14), wobei die Luft- und Flüssigkeitskühler flach sind und ungefähr dieselbe Breite haben.
10. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des überstehenden Teils des Luftkühlers (10) etwa 20 % der Stirnfläche des Flüssigkeitskühlers (14) entspricht.
11. Brennkraftmaschine gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10,. dadurch gekennzeichnet, daß Drosselungsmittel mit veränderlichem Durchgangsquerschnitt vor dem überstehenden Teil des Luftkühlers (10) in Bezug auf den Luftstrom angebracht sind.

- ·.
12. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 2, einzeln oder Ln Verbindung mit einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine den Lüfter durch eine Verbindung mit einstellbarem Proportionalitätsfaktor antreibt.
13· Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalitätsfaktor in Abhängigkeit von der Flüssigkeitstemperatur am Eintritt in den Flüssigkeitskühler (14) und von der Temperatur der Aufladeluft am Austritt aus dem Luftkühler (10) regulierbar ist, um zu verhindern,

daß diese Temperaturen die Schwellen (T ) bzw. (T'~) über- ^c e ο Zo

schreiten.
14. Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellen (T '^) und (T ^L zur Durchführung der Regelung in Bezug auf die Aufladeluft so sind, daß

(T' L kleiner als (T' ) ist.
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