DE3339717C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor, in dem die Kühlung durch Verdampfung eines Kühlmittels erzielt und der Dampf anschließend durch Entzug von Wärme in einer Kühlvorrichtung (Kondensator) wieder rückverflüssigt wird, wobei dem Kondensator ein Ausgleichs­ behälter nachgeschaltet ist, in dem sich eine elastische Blase befindet, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Aus DD-PS 1 36 280 ist ein Kühlmittelkreislauf für Brennkraft­ maschinen bekannt, bei dem in den Kreislauf ein Ausgleichs­ behälter eingebaut ist, dem die Aufgabe zukommt Unterdruck zu vermeiden, um ein Ausdampfen des Kühlmittels und damit Kühl­ mittelverluste zu vermeiden, außerdem wird durch Druckerhöhung die Temperatur des Kühlmittels erhöht, ohne daß Ausdampfungs­ verluste entstünden. Die Kühlfläche des Kühlers kann als Folge der größeren Kühlmitteltemperatur herabgesetzt werden. Die Druckerhöhung im Ausgleichsbehälter wird dadurch erreicht, daß in den Ausgleichsbehälter ein Faltenbalg hineinragt, der durch Federkraft vorgespannt ist. Es stellt sich somit im Kühlmittel­ kreislauf ein Druckgleichgewicht zwischen dem durch den federbelasteten Faltenbalg des Ausgleichsbehälters resultierenden Druck und dem Druck des Kühlmittels ein. Zum Abbau ungewöhnlicher Druckverhältnisse sind Ventile vorge­ sehen, die eine Verbindung mit der Umgebung herstellen können. Ein Nachteil einer solchen Kühlung besteht wie bei jeder Flüssigkeitskühlung darin, daß keine differenzierte Kühlung hoch oder niedrig thermisch belasteter Teile möglich ist.

Aus DE-PS 34 24 470 ist es bekannt, bei einem Kühlkreislauf mit Verdampfungskühlung den Kühlmantel zu unterteilen, so daß jeder Zylinder seinen eigenen Kühlkreislauf erhält. Um bei Schräglage des Motors in jedem Kühlabschnitt das vorgesehene Niveau der Kühlmittelflüssigkeit einzuhalten sind Geber vorgesehen, die mit einem Neigungssensor korrespondieren. Vorrichtungen zur Vermeidung von Druckschwankungen als Folge differenzierender Kühlflüssigkeitstemperaturen sind nicht vorgesehen, so daß als Folge davon die Kühlmitteltemperatur schwankt.

Ausgehend von einem Kühlmittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein geschlossenes Verdampfungskühlsystem zu schaffen, bei dem auch bei Schräg­ lage des Motors die Kühlung der Heißteile durch Benetzung mit Kühlflüssigkeit sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die elastische Blase im abgekühlten Zustand der Brennkraftmaschine an den Innen­ wandungen des Ausgleichsbehälters anliegt, und daß der Kühl­ mantel des Verbrennungsmotors in mehrere Einheiten unterteilt ist, in denen durch entsprechende Regelglieder stets ein bestimmter Soll-Kühlmittelstand dadurch eingehalten wird, daß in Höhe des Soll-Kühlmittelstandes jeder Kühleinheit ein Sensor oder Geber angebracht ist, der mechanisch, pneumatisch oder elektrisch ein im Kondensatzulauf der jeweiligen Kühlein­ heit angeordnetes Ventil öffnet oder schließt.

Durch diese Maßnahme kann die im Kühlsystem über dem Kühl­ mantel der Brennkraftmaschine in den Verbindungsleitungen sowie im Kondensator vorliegende Luft, die während des Betriebes durch den entstehenden Dampf verdrängt wird, gespeichert werden. Es kann sich im System weder ein Überdruck noch ein Unterdruck aufbauen. Da das eigentliche Kühlsystem keinerlei Verbindung zur Atmosphäre aufweist, ergeben sich somit weder Kühlmittelverluste noch tritt ein frühzeitiges Altern der Rostschutzinhibitoren auf. Durch die Unterteilung des Kühlmantels in mehrere Einheiten, insbesondere gemäß der Anzahl der Zylinder, sind die Schwankungen des Kühlmittel­ standes, auf Zylindermitte bezogen, beinahe unabhängig von der Fahrstrecke - bergauf, bergab oder ebener Strecke - annähernd Null. Dies bedeutet andererseits, daß der Kühlmittelstand wesentlich niedriger gehalten werden kann, wodurch sich das Gesamtvolumen der Anlage reduziert. Der Soll-Kühlmittelstand in den einzelnen Kühlmanteleinheiten wird durch entsprechende Geber erfaßt, die mechanisch, pneumatisch oder elektrisch auf die in den Kondensatzuläufen der jeweiligen Kühleinheiten angeordneten Ventile einwirken.

Zwar ist es bei der gattungsgemäßen Verdampfungskühlung (US-PS 31 68 080) bekannt, nach dem Kondensator einen Aus­ gleichsbehälter anzuordnen, in dem eine elastische Blase vorhanden ist, welche mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Aber auch der Ausgleichsbehälter weist eine mit einem Ventil versehene Entlüftung auf und dient während des Betriebes zur Sammlung bzw. Speicherung des Kühlmittels, welches letzten Endes über den Kondensator wieder zurück zur Brennkraft­ maschine gelangt. Das erwähnte (auf dem sogenannten Kühl­ mittelspeicher vorliegende) Entlüftungsventil wird in Ab­ hängigkeit vom Kühlmittelstand in diesem Behälter gesteuert und ist bei Stillstand der Maschine und während des Betriebes, bis im Speicher ein bestimmter Kühlmittelstand erreicht ist, offen. Durch diesen bekannten Stand der Technik läßt sich die in der Erfindung angegebene Aufgabe nicht lösen, da einerseits sauerstoffreiche Luft in das Kühlsystem gelangt und andererseits die im oberen Teil des Kondensators bzw. im Kühlmittelspeicher vorliegende "Kühlmittelkondensatdichtung" die Verdrängung des im System vorliegenden Luftvolumens in den vorliegenden Kühl­ mittelspeicher-Behälter verhindert oder zumindest erschwert. Die Folge davon ist, daß ein größerer Kondensator Verwendung finden muß. Außerdem sind beim Stand der Technik keine Mittel zur Verbesserung der Bergsteigefähigkeit vorgesehen.

Bei der vorliegenden Erfindung wirkt der dem Kondensator nach­ geschaltete Behälter als reiner Ausgleichsbehälter. Eine Speicher­ funktion für das flüssige Kühlmittel muß dieser nicht übernehmen, da das Kühlmittel auf anderem Wege zum Kühlmantel der Brennkraft­ maschine zurückgelangt.

Es ist vorteilhaft, zwischen dem Kühlmantel der Brennkraft­ maschine und dem Kondensator einen oder mehrere Kühlmitteltropfen-Ab­ scheider vorzusehen. Um die Größe des Ausgleichsbehälters zu verkleinern, wird als Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, mindestens im letzten vor dem Kondensator liegenden Kühlmittel­ tropfen-Abscheider ebenfalls eine elastische Blase vorzusehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird auf der kalten Seite des Kondensators ein entsprechendes Überdruckventil als Sicher­ heitsventil vorgesehen. Dieses wird auf einen Absolut-Druck von mindes­ tens 1,1 bar eingestellt und ist entweder am Ausgleichsbehälter oder in der Verbindungsleitung Kondensator-Ausgleichsbehälter, die dann entsprechend voluminös ausgelegt sein muß, angeordnet. Durch ein derartiges Ventil ist es möglich, die eventuell in den Kreislauf gelangenden Verbrennungsgase (nach Erreichen des ein­ gestellten Öffnungsdruckes) sicher abzuführen. Da dasselbe auf der kalten Seite des Kondensators sitzt, treten Kühlmittelver­ luste nicht auf.

Das erwähnte Sicherheitsventil ist nicht mit dem Entlüftungs­ ventil der angeführten US-Patentschrift vergleichbar, da letzteres abhängig vom Kühlmittelstand im Kühlmittelspeicher gesteuert wird, so daß eine Sicherheitsfunktion nicht gegeben ist und der Druck im Kühlsystem bei einem eventuellen Durch­ blasen von Verbrennungsgasen (bei geschlossenem Entlüftungs­ ventil) unkontrolliert ansteigen kann.

Als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine den Verdampfungs­ raumdruck (innerhalb des Kühlmantels der Brennkraftmaschine) über Atmosphäre zu erhöhen. Dadurch tritt die bekannte Erhöhung der Siedetemperatur des Kühlmittels ein. Durch die Erhöhung des Verdampfungsdruckes stellt sich eine Erhöhung der arbeits­ raumseitigen Bauteiltemperaturen, z. B. der Zylinderlaufbahnen, Zylinderkopfplatte, Ventile und so weiter ein. Diese werden somit im Teillastbetrieb auf der gleichen oder annähernd gleichen Höhe wie bei Höchstleistung gehalten. Hierdurch wird die Gemischbildung und Verbrennung verbessert, aber auch der Kraftstoffverbrauch und die Abgasqualität. Die Regelung des Dampfdruckes zwischen Atmosphärendruck und einem oberen Grenzwert erfolgt abhängig von einer repräsentativen Bauteiltemperatur, beispielsweise der Zylinderbahntemperatur, über einen Dampfdruckregler.

Die Bauteiltemperatur ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Motorbelastung, dargestellt durch ein Drehzahl- und Lastsignal oder in Abhängigkeit von der Abgastemperatur. Damit der obere Druckgrenzwert niemals überschritten werden kann, ist es zweck­ mäßig, unabhängig von der last- oder temperaturabhängigen Steue­ rung ein Sicherheitsventil vorzusehen, welches im Dampfdruckregler integriert sein kann.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schema der hier zur Anwendung kommenden Verdampfungs­ kühlung

Fig. 2 schematisch die Veränderungen des Kühlmittelstandes bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor für Fahr­ zeuge bei Bergfahrt bzw. auf ebener Strecke, einmal bei nicht-unterteiltem Kühlmantel (Fig. 2a) und einmal bei unterteiltem Kühl-Mantel (Fig. 2b)

Fig. 3 ebenfalls rein schematisch den Verdampfungskühlungs­ kreislauf während des Teillastbetriebes der Brenn­ kraftmaschine.

In der Fig. 1 ist mit 1 der Verbrennungsmotor bezeichnet. Dieser weist einen Kühlmantel 1 a (vergleiche Fig. 2 und 3) auf, in dem ein zur Verdampfungskühlung geeignetes Kühlmittel vorliegt. Dieses wird bis zu einer bestimmten Höhe eingefüllt (Kühlmittel­ stand 12).

Der während des Betriebes gebildete Dampf (der in erster Linie an den thermisch hoch belasteten Bauteilen, wie Ventilsteg, Auslaßkanal sowie der oberen Laufbüchsenpartie entsteht) ge­ langt über die Abdampfleitungen 2 a zum ersten Kühlmitteltropfen-Abscheider 3 und wird dort gesammelt. Nachdem ein Teil des mitgerissenen Kühlmittels über die Leitung 5 a abgeschieden wurde, gelangt der Dampf über die Leitung 2 b zum zweiten Kühlmitteltropfen-Abscheider 4. Dort wird durch lokale Querschnittserweiterung die Strömungsge­ schwindigkeit abgesenkt und weiteres Kühlmittel abgeschieden, das durch die Rücklaufleitung 5 b zum Kühlmantel der Brennkraft­ maschine 1 zurückgeführt wird. Eine Rohrleitung 2 c verteilt den Dampf auf einen oder mehrere Kondensatoren 6, in denen der Dampf durch Lüfter 7 wieder rückverflüssigt wird. Das Kühlmittelkonden­ sat gelangt dann über die Leitung 5 c zum Ausgleichsbehälter 8 und von dort über die Leitung 5 d zum Kühlmantel 1 a des Verbren­ nungsmotors 1 zurück.

Im kalten Zustand ist der gesamte Raum oberhalb des Kühlmittel­ spiegels 12, der etwa Zylinderkopfoberkante entspricht, mit Luft gefüllt; bei Nennleistung (Vollast) jedoch gänzlich mit Dampf. Dies bedeutet, daß die vorher vorhandene Luft an irgend­ einer Stelle zu speichern ist. Dies übernimmt der Ausgleichs­ behälter 8. Wegen der Forderung, drucklos mit einem geschlossenen Kühlkreislaufsystem zu fahren (dies bedeutet, zwischen Kühl­ medium und Umgebungsluft besteht kein direkter Kontakt), ist im Ausgleichsbehälter 8 eine Plastik-Blase 9 a aus temperatur­ beständiger, hochelastischer PU-Folie eingelegt, die mit dem Deckel des Ausgleichsbehälters 8 so verschraubt ist, daß sie das Kühlsystem zur Atmosphäre hin verschließt. Die Blase selbst steht aber mit der Atmosphäre in Verbindung (Bezugsziffer 10). Im kalten Zustand ist die Blase ganz mit Luft gefüllt, liegt also an den Ausgleichsbehälterwandungen an; bei heißem Motor ist sie weitgehend geleert.

Auch der zweite Kühlmitteltropfen-Abscheider 4 wird ebenfalls mit einer Blase versehen, da sonst auch noch dieses Volumen im Ausgleichsbehälter untergebracht werden müßte. Dadurch kann der Ausgleichsbehälter kleiner ausgeführt werden.

Zum Befüllen der Kühlanlage wird die Atmosphärenseite der elastischen Blase 9 a mit geringem Überdruck (ca. 50 mbar) beaufschlagt und damit zur Anlage an der Ausgleichsbehälterwand auf der Kühlmittel­ seite gebracht. Nach dem Verschließen des Kühlsystems wird Druck­ ausgleich hergestellt. Somit ist gewährleistet, daß das gesamte Ausgleichsbehälter-Volumen zur Aufnahme der im System vorhandenen Luft zur Verfügung steht. Beim zweiten Kühlmitteltropfen-Abscheider 4 wird in gleicher Weise verfahren. Die Aufgabe der Membrane besteht jedoch hier darin, das Luftvolumen im System so weit wie möglich zu verkleinern.

Aus Sicherheitsgründen ist am Ausgleichsbehälter 8 noch ein Über­ druckventil 11 vorgesehen.

Weiter zeigt die Fig. 1 noch den Heizungskreislauf für eine Fahrerhausheizung. Darin ist ein Heizungswärmetauscher 14 sowie eine Heizungspumpe 15 enthalten. Auch wird der Kühlkreislauf für das Schmieröl angedeutet, in dem ein Ölkühler 13 vorliegt.

In der Fig. 2 sind die Kühlmittelschwankungen bei einem nicht­ unterteiltem Kühlmantel (Fig. 2a) sowie bei einem unterteilten Kühlmantel (Fig. 2b) dargestellt. Eine Unterteilung des Kühl­ mantels bietet sich bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen an, insbesondere dann, wenn wie im vorliegenden Fall, noch Einzel­ zylinderköpfe Verwendung finden. Dabei kann im Extremfall auf Einzelzylinderkühlung übergegangen werden, wobei durchaus ein gemeinsamer Dampf- und Kondensatkreislauf verwendet werden kann. Es wäre aber auch denkbar, das gesamte Kühlsystem in mehrere separate Dampf- und Kondensatkreisläufe zu unterteilen.

Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Sechs-Zylinder-Verbrennungs­ motor 1, der unter einem Fahrerhaus 16 angeordnet ist. Der Kühl­ mittelspiegel auf gerader Strecke ist mit 12 a der bei Berg­ fahrt mit 12 b bezeichnet. Zum Teil ist im Schnitt der Kühlmantel 1 a der Brennkraftmaschine dargestellt; das Kühlmittel kann dem Kühlmantel 1 a beispielsweise nur durch eine einzige Bohrung 1 b (am ersten Zylinder) zugeführt werden und verteilt sich dann auf die übrigen Zylinder (vergleiche Fig. 2a). Wie ersichtlich könnten hier leicht Überhitzungsprobleme an den bei Bergfahrt höchstgelegenen Zylindern auftreten, was nicht zuletzt auf die gegenüber Pkw-Antrieben deutlich größere Baulänge zurückzu­ führen ist. Ein weiterer Grund ist die meist geforderte niedrigere Einbauhöhe des Aggregates.

Bei der Fig. 2b ist der Kühlmantel 1 a gemäß der Zylinderanzahl unterteilt. Dabei weist jede Kühleinheit eine Kühlmittel-Zu­ laufbohrung 1 b auf. Um zu verhindern, daß bei einem derart unter­ teilten Kühlmantel sich nicht dennoch ein mittlerer Kühlmittel­ stand über der Motorlänge ergibt, ist ein entsprechendes Regel­ glied an jeder Zulaufbohrung 1 b der einzelnen Kühlmantelein­ heiten notwendig. Dies ist derart gestaltet, daß in Höhe des Soll- Kühlmittelstandes 12 a jeder Kühleinheit ein Sensor oder Geber 17 angebracht ist, welcher mechanisch, pneumatisch oder elektrisch ein im Zulauf der jeweiligen Kühleinheit angeordnetes Ventil 18 öffnet oder schließt. Die einzelnen Zuläufe zweigen dabei von einem gemeinsamen Kondensatzulauf 1 c ab. Dadurch läßt sich mit geringem Aufwand das gleiche Ergebnis erzielen, als wenn für jede Kühleinheit ein kompletter Dampf- und Kondensatkreislauf vorhanden wäre, und es treten in Abhängigkeit von den Uneben­ heiten der Fahrstrecke nahezu keine Kühlmittelschwankungen auf.

Die Fig. 3 zeigt einen Verdampfungskühlungskreislauf, bei dem während des Teillastbetriebes der Brennkraftmaschine eine Rege­ lung des Verdampfungsdruckes stattfindet, um dadurch eine Rege­ lung der entsprechenden brennraumseitigen Bauteiltemperaturen zum Zwecke eines besseren Verbrennungswirkungsgrades zu er­ zielen. Dies läßt sich in einfacher Weise durch eine Veränderung des Dampfabströmquerschnittes erreichen. Durch eine Erhöhung des Verdampfungsdruckes innerhalb des Kühlmantels 1 a tritt die bekannte Erhöhung der Siedetemperatur des Kühlmittels ein, wo­ durch sich eine Erhöhung der arbeitsraumseitigen Wandtemperaturen ergibt. Damit werden die arbeitsraumseitigen Bauteiltemperaturen, z. B. Zylinderlaufbahnen, aber auch die Öltemperatur (Lager, Zylinderschmierung, Kolbenkühlung) im Teillastbereich auf der gleichen oder annähernd gleichen Höhe wie bei Höchstleistung gehalten.

Die Regelung des Dampfdruckes erfolgt in Abhängigkeit der Temperatur eines repräsentativen Bauteils (in der Figur beispielsweise von der Zylinderlaufbahn) mit Hilfe des Temperaturfühlers 21, der auf einen Druckregler 22 wirkt. Weiter zeigt diese Fig. noch ein Schwimmerventil 20, welches eine Kondensatpumpe 19 steuert.

Claims (8)

1. Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor, in dem die Kühlung durch Verdampfung eines Kühlmittels erzielt und der Dampf anschließend durch Entzug von Wärme in einer Kühlvorrichtung (Kondensator) wieder rückverflüssigt wird, wobei dem Kondensator ein Ausgleichsbehälter nachgeschaltet ist, in dem sich eine elastische Blase befindet, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Blase (9 a) im abgekühlten Zustand der Brennkraftmaschine an den Innen­ wandungen des Ausgleichsbehälters (8) anliegt, und daß der Kühlmantel (1 a) des Verbrennungsmotors (1) in mehrere Einheiten unterteilt ist, in denen durch entsprechende Regelglieder (17, 18) stets ein bestimmter Soll-Kühl­ mittelstand dadurch eingehalten wird, daß in Höhe des Soll-Kühlmittelstandes jeder Kühleinheit ein Sensor oder Geber (17) angebracht ist, der mechanisch, pneumatisch oder elektrisch ein im Kondensatzulauf der jeweiligen Kühleinheit angeordnetes Ventil (18) öffnet oder schließt.

2. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlmantel (1 a) der Brennkraftmaschine und dem Kondensator (6) ein oder mehrere Kühlmittel­ tropfen-Abscheider (3, 4) angeordnet sind, wobei zu­ mindest im letzten vor dem Kondensator (6) liegenden Kühlmitteltropfen-Abscheider (4) ebenfalls eine elastische Blase (9 b) vorgesehen ist.

3. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der kalten Seite des Kondensators (6) ein ent­ sprechendes Uberdruckventil (11) als Sicherheitsventil vorgesehen ist.

4. Kühlkreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsventil (11) in der Verbindungsleitung (5 c) zwischen Kondensator (6) und Ausgleichsbehälter (8) angeordnet ist.

5. Kühlkreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsventil (11) am Ausgleichsbehälter (8) angeordnet ist.

6. Kühlkreislauf nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherheitsventil (11) auf einen Absolut-Druck von mindestens 1,1 bar eingestellt ist.

7. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Teillastbetriebs der Brennkraftmaschine innerhalb des Kühlmantels (1 a) der Brennkraftmaschine eine Regelung des Dampfdruckes abhängig von einer repräsentativen Bauteiltemperatur vorgenommen wird.

8. Kühlkreislauf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Dampfdruckes zwischen Atmosphären­ druck und einem oberen Grenzwert mit Hilfe eines Druck­ reglers (22) erreicht wird, der durch einen ent­ sprechenden Temperaturfühler (21) angesteuert wird.