DE3214855C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Frischwasser-Kühlsystem für aufgeladene Verbrennungsmotoren mit Luftzwischenkühlung, mit miteinander gekoppelten Temperaturkreisen, nämlich einem Hochtemperaturkreis, der die Kühlmäntel des oder der Motoren und Kompressoren sowie Mittel zur Steuerung der Kühlwasserumlaufmenge in Form von Umwälzpumpen, Drosselventilen und dgl., sowie Entlüftungs-Expansions- und Druckhaltemitteln umfaßt, einen den Luftzwischenkühler enthaltenden Niedertemperaturkreis, und einen den Frischwasserkühler enthaltenden Wärmetauscherkreis.

Durch die DE-OS 30 47 672 ist ein Kühlsystem bekannt, bei dem ein Hochtemperaturkreis mittels einer ersten Bypaßleitung und ein Niedertemperaturkreis mittels einer zweiten Bypaßleitung gebildet ist, der zur Vorwärmung der Ladeluft dient, und ein Wärmetauscherkreis vorgesehen ist, der die abzuführende Wärmemenge bei Normal- bis Vollast steuert. Mit einem derartigen Kühlsystem ist eine einfache und zuverlässige Kühlung bei Verbrennungsmotoren zu erzielen, wobei die Regelung so ausgeführt ist, daß das Kühlwasser eine bestimmte Temperatur, die unterhalb der Motoraustrittstemperatur liegen muß, nicht überschreiten darf. Es ist jedoch keine Vorsorge dafür getroffen, daß das Kühlwasser nicht unter eine bestimmte Mindesttemperatur absinken kann, was insbesondere beim Einsatz in arktischen Gebieten von Bedeutung ist.

Insbesondere bei der Verwendung von schwerölgetriebenen Dieselmotore unter arktischen Bedingungen wird nicht nur eine Kühlung des Motors im Hochlastbereich benötigt, sondern die Ansaugluft bei niedriger Motorlast sollte möglichst vorgewärmt sein, um die Zündwilligkeit des Schweröls zu verbessern und damit den Brennstoffverbrauch im Niederlastbereich zu verringern, da die über das Kühlwasser an die Ansaugluft abgegebene Wärme zum Motor zurückgeführt wird und dort erneut an der Verbrennung teilnimmt. Bei diesem Anwendungsbereich ist somit eine inverse Temperaturregelung besonders effektiv, bei der die Kühlung des kontinuierlich durch das System fließenden Kühlwassers und umgekehrt proportional zu der Leistungsabgabe des Motors ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zweckmäßiges Kühlsystem mit inverser Temperaturregelung zu schaffen, das auch bei in arktischen Gebieten betriebenen Verbrennungsmotoren zuverlässig arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kühlsystem der eingangs beschriebenen Art, das durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Fließdiagramm des Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt das Fließdiagramm vom gekoppelten Kühlsystemen für mehrere Motoren;

Fig. 3 zeigt den drehzahlabhängigen Verlauf verschiedener Kennlinien des gesamten Kühlsystems;

Fig. 4 zeigt den lastabhängigen Verlauf verschiedener Kennlinien des Systems für die Ansaugluft-Vorwärmung bzw. -Kühlung.

In Fig. 1 sind die Kühlmäntel des Motors und der Turbolader schematisch als Einheit 1 dargestellt. Diese Einheit 1 liegt in einem Hochtemperaturkreis, der außerdem eine Zuführungsleitung 2 mit Frischwasserpumpe 3 und eine Ablaufleitung 4 mit strömungsregulierender Drosselstelle 5 und einem Expansions-Entlüftungs- und Druckhaltetank 6 umfaßt. Letzterer ist mit einer Druckhalteleitung 6a versehen. Der gesamte Durchfluß durch den Kühlmantel des Motors und des Turboaggregats wird durch die Leistung der Kühlwaserpumpe 3 in Verbindung mit der Drossel 5 gesteuert. Die Einlaß- und Auslaßseite des Hochtemperaturkreises sind durch eine Bypaßleitung 7 verbunden. An deren Anschlußstelle an die Einlaßseite des Hochtemperaturkreises ist ein Dreiwege- Thermostatventil T₁ angeordnet. Ein dritter Anschluß dieses Thermostatventils ist mit der Einlaßleitung 8 des Niedertemperaturkreises verbunden. In dieser Zulaufleitung 8 liegt auch ein Wärmetauscher 9 für die Vorwärmung der Ansaugluft des Motors. Der Niedertemperaturkreis ist mit einer Ablaufleitung 10 an den Hochtemperaturkreis an dem Kontenpunkt zwischen dessen Ablaufleitung 4a und der Bypaßleitung 7 angeschlossen. Die Zulauf- und Ablaufseiten des Niedertemperaturkreises sind ihrerseits durch eine Bypaßleitung 11 verbunden. Im Knotenpunkt zwischen dieser Bypaßleitung und der Ablaufseite des Niedertemperaturkreises ist ein Dreiwege-Thermostatventil T₂ angeordnet. An dessen dritten Anschluß ist die Zulaufleitung 12 des Wärmertauscherkreises angeschlossen. Dieser ist über zwei alternative Wege, nämlich entweder einen Wärmetauscher 13 zur Wiederverwendung der Überschußwärme oder über eine Bypaßleitung mit getrennt gesteuertem Ventil 14, mit einem Frischwasserkühler 15 verbunden. Eine Umgehungsleitung 16 führt an dem Kühler 15 vorbei.

Im Knotenpunkt zwischen der Umgehungsleitung 16 und dem Auslaß 17 des Kühlers 15 ist ein Dreiwege-Thermostatventil T₃ angeordnet. Dessen dritter, ablaufseitiger Anschluß ist über eine Ablaufleitung 18 mit dem Knotenpunkt zwischen der Zulaufleitung 8 des Niedertemperaturkreises und der Bypaßleitung 11 verbunden. Wie in Fig. 1 angedeutet, können bei dem dargestellten Kühlsystem der Hoch- und Niedertemperaturkreis mit ihren Hilfseinrichtungen direkt an den durch die Umrahmung M angedeuteten Motor angeordnet werden, während die platzaufwendigeren Bestandteile des Wärmetauscherkreises außerhalb des Motors, z. B. in der strichpunktierten Einheit K, angeordnet sein können.

Fig. 1 zeigt auch eine Rohwasserleitung 19 und eine Rohwasserpumpe 20 für den Frischwasserkühler 15. Man erkennt auch aus der Fig. 1, daß der Frischwasserkühler 15 aus drei Modulen 15a, 15b, 15c besteht, von denen zwei Module 15a und 15b für die eigentliche Frischwasserkühlung dienen, während der dritte Modul 15c für die Schmierölkühlung verwendet wird. Der Schmierölkreislauf durch den Kühler 15c ist mit O bezeichnet und mit einem Temperaturregler T₀ für die Regulierung der gewünschten Schmieröltemperatur versehen. Dieser hat keinen unmittelbaren Bezug zur vorliegenden Erfindung und wird daher nicht im einzelnen beschrieben. Die den kompletten Kühler bildenden Module und Hilfseinrichtungen sind durch die strichpunktierte Linie K umgrenzt.

Eine bestimmte geringe Menge von Kühlwasser strömt ständig durch die verschiedenen Bypaß-Leitungen mittels spezieller Seitenöffnungen durch die Thermostatventile T₁, T₂ und T₃.

Die Regeltemperaturen der Thermostatventile werden im folgenden mit t₁, t₂ und t₃ bezeichnet, und entsprechend sind in Fig. 1 die Steuerorgane der Thermostatventile bezeichnet.

Das Thermostatventil T₁ ist dafür verantwortlich, daß die Temperatur des dem Kühlmantel des Motors zugeführten Kühlwassers im wesentlichen unabhängig von der Leistungsabgabe des Motors ist.

Die Ansprechtemperatur und Regelcharakteristik des Thermostatventils T₂ sind so gewählt, daß bei fallender Motorbelastung die Hauptregelfunktion für die Motormantelkühlung und die Luftzwischenkühlung von diesem Ventil übernommen wird. Dies bedeutet, daß wenn die Temperatur des vom Motor abströmenden Kühlwassers bei niedriger Motorlast unter die Regeltemperatur t₂ des Thermostatventils T₂ fällt, der Hauptteil des im System zirkulierenden Kühlwassers dann über die Umgehungsleitung 11 zurück in den Niedertemperaturkreis geführt wird und dort eine wirksame Vorwärmung der Ansaugluft bewirkt, ohne durch den Wärmetauscher 15 zu laufen.

Die Regeltempertur t₃ des Thermostatventils T₃ ist so gewählt, daß dieses eine Überkühlung des über das Thermostatventil T₂ den Kühler 15 zugeführten Kühlwassers verhindert. Bei Normallast arbeiten T₃ und T₁ zusammen und übernehmen gemeinsam die Steuerung des gesamten Systems, während das Ventil T₂ vollständig offen bleibt.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten System können die Regeltemperaturen der Thermostatventile z. B. wie folgt eingestellt sein: t₁=66±3°C, t₂=71±3°C und t₃=38±3°C. Es hat sich gezeigt, daß diese Regeltemperaturen eine besonders vorteilhafte Temperaturverteilung in dem Kühlsystem insbesondere dann ergeben, wenn schwerölgetriebene mitteldrehzahlige Dieselmotoren mindestens zeitweise unter arktischen Bedingungen betrieben werden.

Mit den vorstehend genannten Regeltemperaturen für die Thermostatventile ergibt das in Fig. 1 dargestellte System eine Temperaturerhöhung des Kühlwassers durch den Motor von ungefähr 10°C. Bei Leerlauf des Motors werden ca. 96% des im System zirkulierenden Kühlwassers durch das Thermostatventil T₂ am Wärmetauscherkreis vorbeigeleitet. Bei Maximallast des Motors, wenn der Kühlmantel des Motors Wasser über T₁ mit ca. 66°C empfängt und Wasser mit ca. 76°C über T₂ abgibt, wird das Ventil T₂ aufgrund seiner eingestellten Reglertemperatur von 71°C vollständig offengehalten. Hierdurch werden ca. 75% der durch das System zirkulierenden Kühlwassermenge durch den Wärmetauscher 15 geleitet, während das Thermostatventil T₁ ungefähr 25% über die Umgehungsleitung 7 zumengt. Im Mittellastbereich arbeiten T₁ und T₃ zusammen, während T₂ mehr oder wengier weit offen steht und in Bereitschaft zur Übernahme der Hauptregelfunktion bei Nullast oder sehr niedriger Motorbelastung ist.

Mit Hilfe des Ventils 14 und des Wärmetauschers 13 ist die Überschußwärme des Kühlwassers jederzeit für eine Wiedergewinnung für andere Zwecke zugänglich.

In der genannten DE-PCT-OS 29 53 216 ist ein kombinierter Entlüftungs-, Expansions- und Druckhaltetank beschrieben. Bei einem einmotorigen System wird gemäß der vorliegenden Erfindung dieser Tank in unveränderter Form verwendet. Ein besonderes Merkmal des Tanks besteht darin, daß die Entlüftungskammer über der Druckhalte- und Expansionskammer liegt.

Bei mehrmotorigen Systemen werden gemäß der vorliegenden Erfindung die am jeweiligen Motor direkt montierten Hoch- und Niedertemperaturkreise im wesentlichen unverändert beibehalten, während die Wärmetauscherkreise für sämtliche Motoren zu einem einzigen Kreis zusammengekoppelt werden, der durch ein einziges Thermostatventil T₃′ gesteuert wird. Es wurde ferner gefunden, daß es vorteilhaft ist, sämtliche Entlüftungs-, Druckhalte- und Expansionsgefäße zu einem einzigen Kreis zusammenzukoppeln. Die Entlüftung erfolgt in der gleichen Weise wie in einem einmotorigen System, während die Druckhaltung und Expansion in einem gemeinsamen Expansionstank 35 zusammengefaßt erfolgt. Gegenüber dem Druckhalte- und Expansionstank gemäß dem vorbekannten System müssen dabei die folgenden Änderungen bei einem bzw. jedem Motor eines mehrmotorigen Systems vorgenommen werden. Niveauwächter, Wasserstandsanzeigerohre und Druckdeckel entfallen. Sowohl die obere als auch die untere Kammer jedes Tanks werden mit Wasser gefüllt, und die obere Öffnung der unteren Kammer, die bei einmotorigen Systemen durch den Druckdeckel verschlossen sind, werden mit einem zentralen Expansionstank verbunden. Eine kleine Differenz zwischen jeweils der oberen und unteren Kammer ergibt einen verbesserten Entlüftungseffekt. Mittels einer geringen Wasserströmung durch das System wird abgetrenntes Gas kontinuierlich zu der Entlüftungskammer 33 des zentralen Expansionstanks 35 transportiert.

Ein mehrmonatiges System entsprechend den vorstehenden Angaben ist in Fig. 2 dargestellt. Die verschiedenen Motoren sind mit M₁-M₄ bezeichnet. Einzelheiten, die bereits in Fig. 1 dargestellt und beschrieben sind, haben die gleichen Bezugszeichen. Von den verschiedenen Motoren M₁-M₄ wird das Wasser über die Leitungen 21-24 dem Wärmetauscherkreis zugeführt. Der Wärmetauscherkreis für das mehrmonatige System enthält auch einen Wärmetauscher 25 für die Wiedergewinnung der Überschußwärme, einen Frischwasserkühler 26, ein Thermostatventil T₃′ mit einer den Kühler 26 umfließenden Bypaßleitung 27, Verbindungsleitungen 28-31 zu den Niedertemperaturkreisen der einzelnen Motoren, und eine Rücklaufleitung 32, über welche Überschußwasser zirkulieren kann, ohne durch die Motoren zu laufen. Letzteres ist besonders dann wichtig, wenn ein oder mehrere Motoren des Systems abgeschaltet werden. In dem Wärmetauscherkreis des mehrmotorigen Systems ist ferner eine getrennte Umwälzpumpe 36 angeordnet, während getrennte Ölkühler 37 jeweils an den einzelnen Motoren angeordnet sind.

Von den verschiedenen Entlüftungsgefäßen 6 an den jeweiligen Motoren gehen Druckhalte- und Expansionsleitungen über den zentralen Entlüfter 33 zum Expansionstank 35. Dieser ist ferner mit einer eigenen Druckhalteleitung 34 versehen.

Tatsächlich gemessene Kennlinien für ein typisches Einmotorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt, die aufgrund ihrer ausführlichen Beschriftung keine detailierte Beschreibung benötigen.

Claims (6)

1. Frischwasser-Kühlsystem für aufgeladene Verbrennungsmotoren mit Luftzwischenkühlung mit miteinander gekoppelten Kreisen, nämlich einem Hochtemperaturkreis, der die Kühlmäntel des oder der Motoren und Kompressoren sowie Mittel zur Steuerung der Kühlwasserumlaufmenge in Form von Umwälzpumpen, Drosselventilen u. dgl. sowie Entlüftungs-, Expansions- und Druckhaltemittel umfaßt, einen den Luftzwischenkühler enthaltenden Niedertemperaturkreis und einen den Frischwasserkühler enthaltenden Wärmetauscherkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturkreis einlaufseitig mit dem ersten Zweig eines Dreiwege- Temperaturreglers bzw. Thermostatventils (T₁) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit dem Auslaß des Niedertemperaturkreises und dessen dritter Anschluß über eine Umgehungsleitung (7) mit dem Auslaß des Hochtemperaturkreises an einem ersten Knotenpunkt hinter den Kühlmänteln verbunden ist, wobei die Temperaturregelung des ersten Temperaturreglers (T₁) so gewählt ist, daß das den Kühlmänteln (1) zugeführte Kühlwasserr durch Mischung von Wasser, das direkt vom Austritt des Hochtemperaturkreises kommt, mit Wasser, das den Luftzwischenkühler (9) durchlaufen hat, auf einer bestimmten Temperatur unabhängig von der Motorlast gehalten wird, daß ein zweites Dreiwege-Thermostatventil (T₂) einlaßseitig mit dem Auslaß des Hochtemperaturkreises an dem genannten ersten Knotenpunkt hinter dem Motor verbunden ist, während seiner zweiten Anschluß mit dem Niedertemperaturkreis vor dem Luftzwischenkühler (9) und sein dritter Anschluß mit dem Einlaß des Wärmetauscherkreises verbunden ist und die Regeltemperatur des zweiten Thermostatventils (T₂) so eingestellt ist, daß der Hauptteil des Kühlwassers am Wärmetauscherkreis vorbeigeleitet wird, solange die Temperatur des Kühlwassers am Auslaß der Kühlmäntel eine vorgegebene Temperatur (t₂) nicht übersteigt, die niedriger als die Motoraustrittstemperatur des Kühlwassers bei Normallast ist, während bei einer die vorgegebene Temperatur (t₂) übersteigenden Motoraustrittstemperatur des Kühlwassers das zweite Thermostatventil T₂ weit geöffnet ist, und daß der Wärmetauscherkreis außer dem Frischwasserkühler (15) eine Umgehungsleitung (16) aufweist, die mit einem Anschluß eines dritten Dreiwege-Thermostatventils (T₃) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an den Auslaß des Frischwasserkühlers (15) und dessen dritter Anschluß an den Einlaß des Niedertemperaturkreises angeschlossen ist, wobei die Regeltemperatur des dritten Thermostatventils (T₃) so eingestellt ist, daß die Temperatur des dem Niedertemperaturkreis zugeführten Kühlwassers eine vorgegebene Temperatur nicht unterschreitet.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkreis eine Einrichtung (13) zur Wärmewiedergewinnung von Überschußwärme mit einem getrennt steuerbaren Bypaßventil (14) enthält.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Thermostatventil (T₁) auf eine Regeltemperatur von 66±3°C, das zweite Thermostatventil (T₂) auf eine Regeltemperatur von 71±3°C und das dritte Thermostatventil (T₃) auf eine Regeltemperatur von 38±3°C eingestellt ist.

4. Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturkreis und der Niedertemperaturkreis mit dem Luftzwischenkühler (9) für die Ansaugluft sowie die zugehörigen Thermostatventile (T₁ und T₂) direkt am Motor angeordnet sind, während der Wärmetauscherkreis mit Kühler (15) außerhalb des Motors angeordnet sind.

5. Kühlsystem nach Anspruch 4 für eine mehrere Motoren umfassende Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Wärmetauscherkeise der einzelnen Motoren miteinander zu einem einzigen Wärmetauscherkreis verbunden sind, der durch ein Thermostatventil (T₃′) gesteuert ist derart, daß die Überschußwärme von sämtlichen Motoren an einem einzigen Punkt an der Einlaufseite des Wärmetauscherkreises zusammengeführt wird.

6. Kühlsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umgehungsleitung (27) für die Rezirkulation von Überschußwasser zum Frischwasserkühler (26) vorgesehen ist.