DE3328000C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem flüssigen Kühlmittel be­ aufschlagte Kühleinrichtung für Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Kühleinrichtung ist aus der DE-PS 3 40 685 zum Zwecke der Vorheizung von Kraftstoff, der einem Einspritzventil zugeführt wird, bekannt. Dort wird eine Teilströmung der Kühlmittelströmung durch einen die Abgasleitung umschließenden Ringraum geleitet, dessen Auslaß - über ein hohl ausgeführtes Auslaßventil - zu einer Heizwendel in einem Kraftstoffbehälter führt, aus der das Kühl­ wasser abläuft. Damit soll eine schnelle Vorheizung des Kraftstoffs beim Warmlauf der Brennkraftmaschine erzielt werden. Die aufheizen­ de Wirkung der von diesem Ringraum kommenden Kühlwassermenge be­ schränkt sich jedoch auf die in dem Behälter befindliche Kraft­ stoffmenge und trägt somit kaum zur Aufheizung der Maschine bei.

Herkömmliche flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen weisen einen Kühl­ kreislauf 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 Er­ reichen der Betriebstemperatur ist insofern vorteilhaft, als der Reib­ leistungsanteil und der Verschleiß der Brennkraftmaschine bei Betriebs­ temperatur 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 Betriebs­ temperatur.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, diese Warm­ laufzeit einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine entscheidend zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patent­ anspruchs. 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 Kühlkreislauf festzustellen sein.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteran­ sprüchen.

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, wodurch ein intensiv von dem durch die Abgasleitung 15 strömenden Abgas beheizter Ringraum 6 entsteht, der zumindest im kalten Zustand der Brennkraftma­ schine 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 Kühl­ mittel 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 Kühl­ mittel 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 ölbeauf­ schlagten Wärmetauscher sicher.

Wie oben bereits angedeutet worden ist, ist im kalten Zustand der Brenn­ kraftmaschine der aus dem Ringraum 6 und dem Vorratsbehälter 7 bestehen­ de Zusatzraum mit flüssigem Kühlmittel gefüllt, wobei zum erstmaligen Befüllen das Ventil 13 in der von der höchsten Stelle des Vorratsbehäl­ ters 7 abgehenden Entlüftungsleitung 12 geöffnet wird.

Wenn die Brennkraftmaschine aus dem kalten Zustand gestartet wird, be­ ginnt 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 ver­ läßt 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 ein­ stellt. 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 Kühlmittel­ kreislauf drückt. Die durch die intensive Beheizung des Ringraums 6 an das Kühlmittel 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 herab­ gesetzt. Eine weitere wesentliche Aufheizung des in dem Kühlmittelkreis­ lauf 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 Verbindungs­ öffnung 8, wie in der Zeichnung angedeutet, an der tiefsten Stelle des Ringraums 6 angeordnet, dann erfolgt die Wärmeabgabe an das in dem Kühl­ mittelkreislauf 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 Kühlmittelkreislauf zugeordnete Ausgleichs­ gefäß 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 Kühlmittelerwärmung während des Warmlaufs einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine bewirkt wird, die ein schnelles Erreichen der Kühl­ mittelbetriebstemperatur sicherstellt. Dadurch wird zum einen eine Re­ duzierung der während des Warmlaufs erhöhten Reibleistung der Brennkraft­ maschine ermöglicht und zum anderen die Voraussetzung für eine schnelle Belastbarkeit der Brennkraftmaschine mit der maximalen Motorleistung geschaffen.

Claims (7)

1. Mit einem flüssigen Kühlmittel beaufschlagte Kühleinrichtung für Brennkraftmaschinen mit einem den Zylinderblock und den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine durchsetzenden Kühlmittel­ kreislauf sowie einem nach außen flüssigkeitsdicht abgeschlos­ senen, mit dem Kühlmittelkreislauf in Verbindung stehenden kühlmittelbeaufschlagten Raum, der eine von dem Abgas der Brennkraftmaschine direkt beaufschlagte Heizfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen diesem Raum (6, 7) und dem Kühlmittelkreislauf (9, 10) nur eine Verbindungsöffnung (8) vorhanden ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (6, 7) einen eine Abgasleitung (15) der Brennkraft­ maschine (1) umgebenden Ringraum (6) aufweist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreislauf (9, 10) einen Kühlmantel (10) an der Abgasleitung (15) neben dem Ringraum (6) aufweist und die Verbindungsöffnung (8) zwischen Kühlmantel (10) und Ringraum (6) vorgesehen ist.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (6, 7) einen von der Heizfläche (4a) getrennten Vorratsbehälter (7) aufweist.

5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (7) eine verschließbare Entlüftungsleitung (12) aufweist.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsöffnung (8) zum Kühlmittel­ kreislauf (9, 10) an einer verhältnismäßig tief gelegenen Stelle des Raumes (6, 7) vorgesehen ist.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsöffnung (8) zum Kühlmittel­ kreislauf (9, 10) an einer verhältnismäßig hoch gelegenen Stelle des Raumes (6, 7) vorgesehen ist.