DE3328000A1

DE3328000A1 - Kuehleinrichtung fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3328000A1
Application number: DE19833328000
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. 3300 Braunschweig Oetting
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1983-08-03
Filing date: 1983-08-03
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE3328000C2

Description

Kühleinrichtuna für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem flüssigen Kühlmittel beaufschlagte Kühleinrichtung für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Herkömmliche flüssigkeitsgekühite Brennkraftmaschinen weisen einen Kühlkreislauf auf, der den Zylinderblock und den Zylinderkopf durchsetzt und die im betriebswarmen Zustand in diesen Bauteilen aufgenommene Wärme in einem Wärmetauscher an die durch diesen Wärmetauscher strömende Luft abgibt. Während des Kaltstarts und im Warmlauf der Brennkraftmaschine wird üblicherweise ein Kurzschluß dieses Kühlmittelkreislaufs hergestellt, um unter Umgehung des Wärmetauschers eine schnelle Aufwärmung des in den Kühlmänteln des Zylinderblockes und des Zylinderkopfes enthaltenen Kühlmittels auf die Betriebstemperatur zu erreichen. Ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur ist insofern vorteilhaftr als der Reibleistungsanteil und der Verschleiß der Brennkraftmaschine bei Betriebstemperatur wesentlich geringer ist als im kalten Zustand. Eine volle Belastung der Brennkraftmaschine sollte auch erst nach Erreichen der Betriebstemperatur vorgenommen werden.
Der während des Warmlaufs vorgenommene Kurzschluß des Kühlmittelkreislaufs verkürzt zwar gegenüber dem Fall des eingeschalteten Wärmetauschers die Warmlaufzeit erheblich. Noch immer vergeht jedoch eine relativ lange Zeit vom Kaltstart der Brennkraftmaschine bis zum Erreichen der Betriebstemperatur.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, diese Warmlaufzeit einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine entscheidend zu verringern.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines mit dem Kühlkreislauf in Verbindung stehenden, kühlmittelbeaufschlagten Raumes, in dem das Kühlmittel direkt von dem Abgas der Brennkraftmaschine auf einer relativ großen Fläche beheizt wird, ergibt sich eine besonders intensive Aufheizung des Kühlmittels praktisch von der ersten Umdrehung der Brennkraftmaschine an. Der Wärmetransport von diesem Raum in den Kühlkreislauf erfolgt über die Verbindungsöffnung, durch die das aufgeheizte Kühlmittel von dem sich infolge der intensiven Beheizung bildenden Dampf in den Kühlkreislauf gedrückt wird und sich dort mit dem übrigen Kühlmittel vermischt. Dieser Wärmetransport ist im wesentlichen dann abgeschlossen, wenn das gesamte, in dem Zusatzraum vorhandene Kühlmittel verdampft ist, zumal dann infolge der dampfförmigen Phase der Wärmeübergang von dem Abgas an das Kühlmittel stark verringert wird. Im betriebswarmen Zustand wird also kaum eine wesentliche Erhöhung der Temperatur des Kühlmittels im Kühikreislauf festzustellen-sein.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines schematischen Längsschnittes durch einen Teil des Zylinderkopfes und Zylinderblockes einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine gezeigt.
Dabei ist mit 1 insgesamt die Brennkraftmaschine, mit 2 ein Zylinderblock und mit 3 ein Zylinderkopf teilweise angedeutet, während 4 einen an den Zylinderkopf 3 angeflanschten Abgaskrümmer darstellt. Selbstverständlich weist die Brennkraftmaschine in der Regel mehr als einen Zylinder auf und auch der Abgaskrümmer 4 weist demzufolge in der Regel eine Reihe von den einzelnen Zylindern zugeordneten Abgasleitungen 15 auf.
Mit 5 ist ein in dem Zylinder des Zylinderblockes 2 gleitender Kolben bezeichnet, der gegenüber dem Zylinderkopf 3 einen Brennraum 17 einschließt aus dem die Verbrennungsgase über eine Auslaßleitung 14 nach Öffnung des Auslaßventils 16 in die Abgasleitung 15 ausgeschoben werden.
Der Abgaskrümmer 4 ist, wie in der Zeichnung gezeigt ist doppelwandig mit einer Innenwand 4a und einer Außenwand 4b ausgeführt, wadurch ein intensiv von dem durch die Abgasleitung 15 strömenden Abgas beheizter Ringraum 6 entsteht, der zumindest im kalten Zustand der Brennkraftmaschine mit Kühlmittel gefüllt ist. Dieser Ringraum 6 steht mit einem Vorratsbehälter 7 in Verbindung, der eine beispielsweise durch ein Ventil 13 verschließbare Entlüftungsleitung 12 aufweist. Anstelle des Ventils 13 kann auch eine dichte Schraube oder dergleichen vorgesehen sein.
Der aus dem Ringraum 6 und dem Vorratsbehälter 7 bestehende und mit Kühlmittel gefüllte Zusatzraum steht über eine Verbindungsöffnung 8 mit dem herkömmlichen, der Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Kühlkreislauf in Verbindung. Dieser Kühlkreislauf durchsetzt dabei sowohl einen Kühlmantel 9 zur Kühlung des Zylinderblockes 2 als auch einen Kühlmantel 10 zur Kühlung des Zylinderkopfes 3. Die beiden Kühlmäntel 9 und 10 können über Verbindungsöffnungen 11 miteinander in Verbindung stehen, wobei das Kühlmittel ständig diese Kühlmäntel 9, 10 durchströmt. Eine hier nicht näher gezeigte Kühlmittelpumpe stellt den Umlauf des Kühlmittels und dessen Transport zu einem hier ebenfalls nicht gezeigten luft- und/oder ölbeaufschlagten Wärmetauscher sicher.
Wie oben bereits angedeutet worden ist, ist im kalten Zustand der Brennkraftmaschine der aus dem Ringraum 6 und dem Vorratsbehälter 7 bestehende Zusatzraum mit flüssigem Kühlmittel gefüllt, wobei zum erstmaligen Befüllen das Ventil 13 in der von der höchsten Stelle des Vorratsbehälters 7 abgehenden Entlüftungsleitung 12 geöffnet wird.
Wenn die Brennkraftmaschine aus dem kalten Zustand gestartet wird, beginnt mit dem ersten Arbeitstakt die Aufwärmung des Abgaskrümmers 4 und damit auch die Aufheizung des die inneren Krümmerrohre 4a benetzenden Kühlmittels in dem Ringraum 6. Zunächst dehnt sich dabei das flüssige Kühlmittel, das beispielsweise aus Wasser bestehen kann, aus und verläßt durch die Verbindungsöffnung 8 den Zusatzraum in Richtung des dem Zylinderkopf 3 zugeordneten Kühlmantels 10. Es vermischt sich mit dem dort vorhandenen Kühlmittel, wodurch sich eine mittlere Temperatur einstellt. Schließlich verdampft das Kühlmittel in dem Ringraum 6, wobei sich der Dampf in dem Vorratsraum 7 sammelt und die flüssige Phase des Kühlmittels zunehmend über die Verbindungsöffnung 8 in den Kühlmittelkreislauf drückt. Die durch die intensive Beheizung des Ringraums 6 an das Kühimittel abgegebene Wärmemenge wird auf diese Weise, nämlich durch Zumischung dieses erhitzten Kühlmittels in den den Zylinderblock 2 und den Zylinderkopf 3 durchsetzenden Kühlkreislauf, zur schnellen Erwärmung des dort vorhandenen Kühlmittels herangezogen.
Wenn in dem Zusatzraum 6, 7 das Kühlmittel nur noch als Dampf vorhanden ist, wird die Wärmeübertragung von dem Abgas auf das Kühlmittel infolge des reduzierten Wärmeübergangs auf der Kühlmittelseite wesentlich herabgesetzt. Eine- weitere wesentliche Aufheizung des in dem Kühlmittelkreislauf umlaufenden Kühlmittels erfolgt dann nicht mehr.
Durch Variation der Größe des Vorratsraums 7 kann dabei die Menge der Wärme, die von dem Abgas auf das in dem Zusatzraum 6, 7 vorhandene Kühlmittel und von dort an das im Kreislauf umlaufende Kühlmittel übertragen wird, beeinflußt werden.
Auch durch die Art der Anordnung der Verbindungsöffnung 8 zwischen dem Zusatzraum 6, 7 und dem Kühlmantel 10 des Zylinderkopfes kann in gewissem Maße die Wärmeübertragung gesteuert werden. Wird nämlich die Verbindungsöffnung 8, wie in der Zeichnung angedeutet, an der tiefsten Stelle des Ringraums 6 angeordnet, dann erfolgt die Wärmeabgabe an das in dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1 umlaufende Kühlmittel in flüssiger Phase, d. h. aus dem Zusatzraum tritt flüssiges, erwärmtes Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf über. Ist dagegen, was ebenfalls möglich wäre, die Verbindungsöffnung an einer sehr hohen Stelle des Zusatzraums 6, 7 vorgesehen, dann tritt dampfförmiges Kühlmittel aus dem Zusatzraum in den Kühlmittelkreislauf über, wo es dann unter Wärmeabgabe kondensiert.
Im zweiten Fall ist also die übertragbare Wärmemenge größer als im ersten Fall.
In beiden Fällen muß jedoch die sich infolge der Kühlmittelausdehnung und -verdampfung in dem -Zusatzraum 6, 7 ergebende Volumenvergrößerung durch das üblicherweise dem Kühimittelkreislauf zugeordnete Ausgleichsgefäß ausgeglichen werden.
Durch geeignete konstruktive Maßnahmen kann weiter dafür gesorgt werden, daß die von dem durch die Auslaßleitung 14 strömenden Abgas beheizte Fläche des dem Zylinderkopf 3 zugeordneten Kühlmantels 10 zugunsten der direkt von dem durch die Abgasleitung 15 strömenden Abgas beheizten Fläche des Ringraumes 6 reduziert wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung besteht darin, daß eine praktisch sich selbst steuernde, außerordentlich rasch wirkende Kühimittelerwärmung während des Warmlaufs einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bewirkt wird, die ein schnelles Erreichen der Kühlmittelbetriebstemperatur sicherstellt. Dadurch wird zum einen eine Reduzierung der während des Warmlaufs erhöhten Reibleistung der Brennkraftmaschine ermöglicht und zum anderen die Voraussetzung für eine schnelle Belastbarkeit der Brennkraftmaschine mit der maximalen Motorleistung geschaffen.
- Lees"eite -

Claims

ANSPRÜCHE 9 Mit einem flüssigen Kühimittel beaufschlagte Kühleinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem den Zylinderblock und den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine durchsetzenden Kühimittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach außen flüssigkeitsdicht abgeschlossener, mit dem Kühimittelkreislauf (9, 10) nur über eine Verbindungsöffnung (8) in Verbindung stehender kühlmittelbeaufschlagter Raum (6, 7) vorgesehen ist, der eine von dem Abgas der Brennkraftmaschine direkt beaufschlagte Heizfläche (4a) aufweist.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (6, 7) einen eine Abgasleitung (15) der Brennkraftmaschine (1) umgebenden Ringraum (6) aufweist.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (6, 7) einen von der Heizfläche (4a) getrennten Vorratsbehälter (7) aufweist.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (7) eine verschließbare Entlüftungsleitung (12) aufweist.
5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von Abgas beheizte Fläche des in den Kühimittelkreislauf eingeschalteten Kühimantels (10) im Zylinderkopf (3) zugunsten der Heizfläche des Ringraums (6) reduziert ist.
6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnung (8) zum Kühlmittelkreislauf (9, lû) an einer verhältnismäßig tief gelegenen Stelle des Raumes (6, 7) vorgesehen ist.
7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnung (8) zum Kühimittelkreislauf (9, 10) an einer verhältnismäßig hoch gelegenen Stelle des Raumes (6, 7) vorgesehen ist.