DE3346511C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verhindern von Kavitation bei wassergekühlten Verbrennungsmotoren, insbe­ sondere zur Unterdrückung von an der Wand des Wasserman­ tels auftretender Kavitationserosion gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Kavitationserosion tritt an der inneren Oberfläche des Wassermantels von wassergekühlten Verbrennungsmotoren, z. B. Dieselmotoren, auf. Bei wassergekühlten Verbrennungsmotoren absorbiert das durch den Wassermantel strömende Kühlwasser die Wärme der heißen Teile des Motors, z. B. der Verbren­ nungskammer, des Auslaßventil und dgl., und transportiert die Wärme zu einem Kühler, bei dem in einem zentralen Be­ reich ein Wärmeaustausch mit dem durch die Fahrbewegung des Fahrzeuges hervorgerufenen Wind oder dem Luftstrom von einem motorgetriebenen Gebläse stattfindet, um die Wärme nach außen abzuleiten. Die erwähnten heißen Teile werden auf diese Weise gekühlt und auf einer bestimmten Temperatur gehalten, um Schäden durch Überhitzung zu verhindern.

Bei wassergekühlten Motoren, insbesondere bei Motoren, bei denen die Zylinder Laufbuchsen darstellen, die dem Wasser­ mantel gegenüberliegen, d. h. bei sog. nassen Zylinderlauf­ buchsen, tritt Kavitation häufig im Kühlwasser an der Was­ sermantelwand, insbesondere längs der Zylinderlaufbuch­ se auf, da diese und der Zylinderblock während des Motor­ betriebes in Schwingungen geraten.

Die Kavitation wird durch zahlreiche Luftblasen ausgelöst, die in dem mit der Umfangswand des Wassermantels oder der Zylinderlaufbuchse in Berührung tretenden Kühlwasser ent­ stehen. Man führt die Entstehung der Luftblasen auf die Herabsetzung des Wasserdruckes im Anschluß an die Stoß­ berührung zwischen Kolben und Zylinderlaufbüchse und auf die Motorschwingungen zurück, wobei die Luftblasen im Nie­ derdruckabschnitt an mikroskopischen Aussparungen entstehen, die an der Wassermantelwand oder der Oberfläche der Zylinder­ laufbuchse in großer Anzahl vorhanden sind. Diese Luft­ blasen platzen sofort, wenn sich der Niederdruckabschnitt zu einem höheren Druck verschiebt. Dabei werden im Wassermantel hochfrequente Wasserdruckschwankungen hervor­ gerufen, was an den Aussparungen der Wassermantelwand oder der Oberfläche der Laufbuchse Kavitationserosion be­ wirkt, wodurch die Lebensdauer des Motors herabgesetzt wird.

Um Kavitationserosion zu verhindern, hat man bislang ent­ weder die dynamische durch die Schwingungen induzierte Be­ wegung der Laufbuchse gesteuert oder die Oberflächenspannung des Kühlwassers durch Zugabe von Emulsionsöl herabgesetzt.

Eine der wirksamsten Methoden zur Verhinderung von Kavita­ tionserosion besteht jedoch darin, daß man aktiv dem Kühl­ wasser Luftblasen zumischt und die Kompressibilität der Luft­ blasen zur Dämpfung der Kühlwasser-Druckschwankungen aus­ nutzt. Eine Vorrichtung zur Verhinderung von Kavitations­ erosion, die auf dieser Methode beruht, wird in der japani­ schen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 58-33 729 und der japani­ schen Patentanmeldung 57-93 619 beschrieben. Bei der erst genannten bekannten Vorrichtung steht die Luftzuführlei­ tung stets in Verbindung mit der Einlaßseite einer Wasser­ pumpe als Teil des Kühlwasser-Umlaufweges, so daß Luft in das Kühlwasser auch dann eingeführt wird, wenn das Kühlwas­ ser eine hohe Temperatur hat. Bei hoher Kühlwassertemperatur ist das Auftreten von Kavitation nicht wahrscheinlich. Es besteht daher die Gefahr, daß sich die Kühlwirkung des Kühlwassers verschlechtert. Bei der anderen bekannten Vorrichtung ist eine Luftzuführleitung vorgesehen, die das obere Reservoir des Kühlers mit der Kühlwasserleitung an der Auslaßseite des Kühlers verbindet und ein Strömungssteuerventil enthält.

Die Luftmenge, die dem Kühlwasser zugemischt werden muß, um Kavitation zu verhindern, beträgt z. B. vorzugsweise minimal 1,0 Volumen-% bis maximal 15 Volumen-% in Bezug auf das Kühlwasser, das sich im Kühlwasser-Umlaufweg des Motors befindet. Wenn die zuzumischende Luftmenge diesen Bereich überschreitet, verschlechtern sich die Kühlwirkung für den Motor, die Abstrahlwirkung des Kühlers und/oder die Wirkung der Fahrzeugheizung. Ist die Luftmenge zu niedrig, so läßt sich das Auftreten von Kavitation nur schwer verhindern. Die vorgenannte bekannte Vorrichtung hat keine Einrichtung zur Einstellung der dem Kühlwasser zuzumischenden Luftmenge, so daß die Luftmenge nicht in einem bestimmten Bereich gehalten werden kann. Bei der dem umlaufenden Kühlwasser zuzumischenden Luftmenge handelt es sich um die Luft in einem Raum im oberen Reservoir des Kühlers, der durch die Kühlwasser- Füllstandshöhe vor Start des Motors und die höhere Kühlwasser-Füllstandshöhe definiert ist, die sich während des Motorbetriebes infolge der Luftzufuhr einstellt. Da keine Einrichtung zur Regulierung der Kühlwasser-Füllstandshöhe vor Start des Motors vorhanden ist, kann die infolge der Luftzufuhr erhöhte Kühlwasser-Füllstandshöhe am Einlaß der im oberen Kühlwasserreservoir vorgesehenen Luftzuführleitung zu liegen kommen. Folglich läßt sich weder die Menge an Kühlwasser noch die in den Kühlwasser- Umlaufweg einzuführende Luftmenge genau angeben. Das Verhältnis von in das Kühlwasser einzumischender Luft kann daher nicht auf einem bestimmten Wert gehalten werden.

Diese und andere mit herkömmlichen Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art verbundenen Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 behoben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt somit eine Einrichtung zum Speichern von Luft, z. B. in Gestalt eines Wassertanks, der an seinem oberen Bereich einen Luftraum vorsieht. Die Luftspeichereinrichtung ist oberhalb des Kühlwasser-Umlaufweges angeordnet und steht mit diesem in Verbindung. Vorgesehen ist ferner eine Einrichtung zur Steuerung der Luftmenge, die in den Kühlwasser-Umlaufweg eingeführt wird, so daß das Luftmischungsverhältnis auf einem optimalen Wert gehalten werden kann, der wirksam Kavitationserosion verhindert und dadurch die Betriebszuverlässigkeit des Motors verbessert, ohne daß jedoch die Kühlung des Motors verschlechtert wird.

Vorgesehen ist ferner ein Steuerventil für die Luftströmung in der Leitung zur Zuführung der Luft in den Kühlwasser- Umlaufweg und eine Einrichtung zur Erfassung der verschiedenen Betriebszustände des Motors, bei denen Kavitation auftritt oder das Auftreten von Kavitation wahrscheinlich ist. Das Steuerventil wird durch die Ausgangssignale der Erfassungseinrichtung betätigt, so daß Luft in das Kühlwasser nur dann eingeführt wird, wenn der Motorbetriebszustand dies zum Verhindern von Kavitation erfordert. Bei anderen Motorbetriebszuständen erfolgt jedoch keine Einführung von Luft, was die Motorkühlung verbessert. Die Erfindung schafft somit eine hochwirksame Maßnahme zur Verhinderung von Kavitationserosion ohne Beeinträchtigung der Motorwirkung.

Der Auslaß der Luftzuführleitung ist an einer Stelle angeordnet, bei der die Luft am leichtesten in den Kühlwasser-Umlaufweg eingesagt werden kann, so daß das Einführen der Luftmenge problemlos und mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung zum Verhindern von Kavitation an einer Zylinderlaufbüchse,

Fig. 2 eine geschnittene Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Wasserpumpe längs der Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine vertikal geschnittene Ansicht des in Fig. 1 gezeigten Steuerventiles für die Luftströmung,

Fig. 4 eine Ansicht in vergrößertem Maßstab des wesentlichen Teiles der Verbindung der Luftzuführleitung mit der Wasserpumpe,

Fig. 5 eine grafische Darstellung bezüglich des Arbeitsverhaltens des in Fig. 3 gezeigten Steuerventiles für die Luftströmung,

Fig. 6 eine grafische Darstellung bezüglich des Zusammenhanges zwischen der Kühlwassertemperatur und der Stärke der Kavitationserosion,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Steuerung der Kühlwassertemperatur mittels Thermostaten und der Schließ- und Öffnungsstellungen des in Fig. 1 gezeigten Steuerventiles für die Luftströmung,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Änderung des Differenzdruckes P₁-P₂ am Einlaß und Auslaß der Luftzuführleitung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl,

Fig. 9 eine schematische geschnittene Ansicht in vergrößertem Maßstab des Haupttei­ les einer weiteren Ausführungsform einer dem Wassertank zugeordneten Luftdosier­ einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 10 eine erläuternde Ansicht betreffs des Einfüllens von Wasser in den in Fig. 9 gezeigten Wassertank,

Fig. 11 eine teilweise weggebrochene perspekti­ vische Ansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer dem Wassertank zugeordneten Luftdosiereinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 12 eine vertikal geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer dem Wassertank zugeordneten Luftdosiereinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 13 eine vertikal geschnittene Ansicht des wesentlichen Teiles des Motors mit einer Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Steuer- oder Dosierventiles mit Befesti­ gung an der Wassermantelwand des Motors,

Fig. 14 eine grafische Darstellung bezüglich des Zusammenhanges zwischen der Motordrehzahl, der Motorbelastung und dem Ausmaß an her­ gerufener Kavitationserosion,

Fig. 15 eine schematische Ansicht einer wei­ teren Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäß aufgebauten Vorrichtung zum Verhindern von Kavitation,

Fig. 16 eine schematische vertikal geschnittene Ansicht einer Erfassungseinrichtung für das Luftmischungsverhältnis ge­ mäß einer Ausbildung einer erfindungs­ gemäßen Erfassungseinrichtung für den Motorbetriebszustand,

Fig. 17 eine grafische Darstellung bezüglich des Zusammenhanges zwischen dem Luft­ mischungsverhältnis und dem empfangenen Pegel der Ultraschallwellen,

Fig. 18 eine vertikal geschnittene Ansicht eines Ultraschalloszillators als andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung für den Motor­ betriebszustand, und

Fig. 19 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verhindern von Kavitation.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Motor 21 handelt es sich um einen wassergekühlten Dieselmotor mit nicht gezeigter nasser Zylinderlaufbuchse, die einen Teil der Wand eines Wassermantels im Motorgehäuse bildet. Der Wassermantel ist im Zylinderkopf und Zylinderblock ausgebildet, die beide das Motorgehäuse vorsehen. Das Kühlwasser-Umlauf- System umfaßt eine obere Leitung 24, die den oberen Teil des Wassermantels im Zylinderkopf mit einem oberen Re­ servoir 23 eines Kühlers 22 verbindet, eine untere Lei­ tung 26, die den unteren Teil des Wassermantels im Zylin­ derkopf mit einem unteren Reservoir 25 des Kühlers 22 ver­ bindet, und eine Bypassleitung 27, die die obere Leitung 24 mit der unteren Leitung 26 verbindet.

Die obere Leitung 24 ist mit der Bypassleitung 27 über ein Thermostatgehäuse 31, das zwei Thermostate 32, 33 ent­ hält, verbunden. Die Thermostate 32, 33 bilden zusammen eine auf Temperatur ansprechende Ventileinrichtung, die die Bypassleitung 27 schließen und die obere Leitung 24 öffnen will, wenn die Kühlwassertemperatur oberhalb eines bestimmten Schließwertes von beispielsweise 76°C ange­ stiegen ist. Die Bypassleitung 27 ist vollständig geschlos­ sen und die obere Leitung 24 vollständig geöffnet, wenn die Temperatur 82°C überstiegen hat.

An der unteren Leitung 26 ist eine Wasserpumpe 34 befestigt, die das Kühlwasser in Umlauf setzt und durch die nicht ge­ zeigte Kurbelwelle des Motors in Drehbewegung versetzt wird. Gemäß Fig. 1 und 2 hat das Wasserpumpengehäuse 35 einen Einlaß 35a und einen Auslaß 35b für den mit der unteren Leitung 26 verbundenen Hauptdurchgang, einen Ein­ laß 35c, mit dem das abstromseitige Ende der Bypasslei­ tung 27 verbunden ist, und einen Einlaß 35d zum Nachfüllen von Kühlwasser. Mit dem Einlaß 35d ist das abstromseitige Ende einer mit einem Wassertank 41 in Verbindung stehenden Kühlwasserauslaßleitung 42 verbunden. Details dieses Wassertanks werden nachfolgend beschrieben.

Wenn der Motor 21 im kalten Betriebszustand in Gang ge­ setzt wird, stellen die Termostate die niedrige Kühl­ wassertemperatur fest und öffnen die Bypassleitung 27 sowie schließen die obere Leitung 24, so daß das Kühl­ wasser im Wassermantel des Motors unter der Wirkung der Wasserpumpe 34 durch die obere Leitung 24, die Thermostate 32, 33, die Bypassleitung 27, die Wasserpumpe 34 und den Wassermantel zirkuliert, nicht jedoch durch den Kühler 22. Das umlaufende Kühlwasser nimmt die Verbrennungswärme des Motors auf, so daß seine Temperatur allmählich ansteigt.

Wenn die Temperatur des Motorkühlwassers den bestimmten Wert von etwa 76°C überschreitet, wird dies von den Thermostaten 32, 33 erfaßt, so daß sie beginnen, die Bypassleitung 27 zu schließen und die obere Leitung 24 zu öffnen. Ein Teil des Motorkühlwassers strömt dann durch den Kühler 22 und gibt dort die Wärme ab. Wenn die Temperatur des Kühlwassers etwa 82°C erreicht hat, wird die Bypassleitung 27 durch die Thermostate 32, 33 voll­ ständig geschlossen, so daß das gesamte Kühlwasser durch den Kühler 22 fließt, um die Temperatur des Kühl­ wassers zu erniedrigen. Das Kühlwasser bleibt somit auf einem bestimmten Temperaturniveau und kühlt wirksam die Verbrennungskammer und das Auslaßventil des Motors, so daß diese Teile vor Beschädigungen wegen Überhitzung ge­ schützt werden.

Der Wassertank 41 ist oberhalb des Kühlwasser-Umlaufsystems, d. h. oberhalb der oberen Leitung 24 oder dem oberen Re­ servoir 23 des Kühlers 22 angeordnet. Eine Öffnung 43 am oberen Teil des Wassertanks 41 steht mit dem oberen Re­ servoir 23 und dem Thermostatgehäuse 31 aufstromseitig der Thermostate 32, 33 durch Einlaßleitungen 44, 45 in Verbindung. Mit dem Kühlwasser vermischte Luft sammelt sich im oberen Reservoir 23 oberhalb des Kühlwassers und gelangt in den Wassertank 41 über die Leitung 44. Das Kühlwasser im Thermostatgehäuse 31 aufstromseitig der Thermostate 32, 33 gelangt in den Wassertank 41 über die Einlaßleitung 45 unter dem Auslaßdruck der Wasserpumpe 34. Das Kühlwasser mit den darin befindlichen Luftblasen teilt sich im Wassertank 41 aufgrund des unterschied­ lichen spezifischen Gewichtes der beiden Medien in Luft und Flüssigkeit auf. Oberhalb der Kühlwasser-Füllstand­ höhe L ist ein Luftspeicherraum 46 vorgesehen.

Die Auslaßleitung 42, die in der Bodenwand des Wasser­ tanks 41 ausmündet, steht in Verbindung mit dem Kühlwasser- Nachfülleinlaß 35d des Wasserpumpengehäuses 35, so daß das im Tank angesammelte Kühlwasser über den Wasserein­ laß 35d der Pumpe 34 angesaugt werden kann. Die Menge an angesaugtem Kühlwasser entspricht der Menge an Kühl­ wasser, das in den Wassertank 41 über die Einlaßleitung 45 eingeführt worden ist, und der Menge an Kühlwasser, die durch Verdunstung oder Leckverluste im Kühlwasser-Um­ laufsystem verlorengegangen ist. Der Wassertank 41, die Auslaßleitung 42 und die Einlaßleitung 44 bilden zusam­ men die erfindungsgemäße Luftspeichereinrichtung.

Das Einlaßende 52 einer Luftzuführleitung 51a erstreckt sich durch die obere Wand des Wassertanks 41 und ragt nach un­ ten in den Luftspeicherraum 46. Das andere Ende der Luft­ einführleitung 51a ist mit dem Einlaß 54 eines in Fig. 3 gezeigten Steuerventiles 53 für die Luftströmung verbunden. Ein Ende der Lufteinführleitung 51b ist mit dem Auslaß 55 des Steuerventiles 53 verbunden, und das Auslaßende 56 dieser Leitung steht in Verbindung mit der Wasserpumpe 34. Das Auslaßende 56 erstreckt sich durch die Gehäusewand und ist gemäß Fig. 4 durch ein Verbindungsstück 57 so ge­ halten, daß es an einer Stelle nahe dem Bypasseinlaß 35c des Pumpengehäuses 35 ausmündet. Ferner ragt das Auslaß­ ende 56 um eine bestimmte Strecke D von der Innenwand ins Gehäuseinnere hinein, um eine hohe Unterdruckwirkung zum Ansaugen von mit dem Kühlwasser zu vermischender Luft zu erzeugen. Das vordere Ende des Auslasses 56 ist so ge­ staltet, daß die in Bezug auf die Strömungsrichtung W des Kühlwassers abstromseitig liegende Wand nach hinten weggeschnitten ist, so daß der Auslaß 56 sich zur Ab­ stromseite hin öffnet, vgl. Fig. 4.

Wie in Fig. 4 durch strichpunktierte Linien angedeutet, kann das Auslaßende 56 auch schräg weggeschnitten sein. Infolge der erwähnten Ausbildung des Auslasses 56 wird durch die Strömung des Kühlwassers ein hoher Saugunter­ druck P₂ am vorderen Ende des Auslasses 56 erzeugt, was einen hohen Druckunterschied in Bezug auf den Druck P₁ im Luftspeicherraum 46 des Wassertanks 41 schafft, so daß die Luft im Luftspeicherraum 46 mittels der Luft­ einführleitungen 51a, 51b in wirksamer Weise in das Kühl­ wasser eingebracht werden kann.

Der Wassertank 41 hat eine Öffnung 71 zum Nachfüllen von Kühlwasser. Die Öffnung 71 wird durch eine Einfüllkappe 72 dicht verschlossen. Die Einfüllkappe erlaubt einen freien Luftaustausch infolge des Druckunterschiedes zwi­ schen dem Innen- und Außendruck. Die Öffnung 71 ist durch ein Rohr 73 gebildet, das in den Tank hineinragt. Die Mündungsöffnung des Rohres 73 im Wassertank 41 liegt an einer in Höhenrichtung des Tankes mittigen Stelle. Dies schafft einen großen Unterschied H zwischen der Mündungs­ öffnung des Rohres 73 und der Mündungsöffnung der Luft­ einführleitung 51a, so daß zwischen den Mündungsöffnungen ein ausreichend großes Volumen im Tank vorliegt, um die gewünschte Menge an Luft zu speichern, die zur Verhinderung von Kavitation mit dem Kühlwasser vermischt werden soll. Der Wassertank 41 hat somit eine Einrichtung zum Dosieren der Menge an einzumischender Luft.

Das Steuerventil 53 umfaßt gemäß Fig. 3 ein Ventilele­ ment in einem Ventilgehäuse 53. An einem Ende des Ge­ häuses 53 ist ein Temperaturerfassungsteil 58 befestigt.

Das Temperaturerfassungsteil 58 besteht aus einer Kapsel, die mit einem Thermowachsmaterial gefüllt ist, das sich je nach Temperatur ausdehnt oder zusammenzieht, und ist am vorderen Ende des Ventilgehäuses 53A befestigt. Das Ventilgehäuse 53A hat ein Außengewinde 53b, mit dem das Gehäuse in das Thermostatgehäuse 31 eingeschraubt werden kann, so daß der Temperaturerfassungsteil 58 dem Kühlwasser im Thermostatgehäuse 31 ausgesetzt ist. Der Thermowachs erfährt eine durch die Kapsel gerichtete Volumenänderung, die sich auf ein Ende einer Stange 59 auswirkt, das mit dem durch die Volumenänderung des Thermowachses beauf­ schlagten Ausgangsende der Kapsel im wesentlichen verbun­ den ist. Auf dem anderen Ende der Stange 59 ist ein Spreng­ ring 61 befestigt. Ein erstes Ventilelement 64 steht in Druckberührung mit dem Sprengring 61 und wird durch diesen fixiert. Das erste Ventilelement 64 wird durch eine erste Feder 63 mit einer Kraft beaufschlagt, die sich an einem Halter 62 abstützt, der am anderen Ende der Stange 59 be­ festigt ist. Ein zweites Ventilelement 66 wird durch die Kraft einer zweiten Feder 65, die sich ebenfalls am Halter 62 abstützt, gegen das erste Ventilelement 64 gedrückt. Beide Ventilelemente 64, 66 tragen Dichtungsringe aus Gummi. Das Ventilgehäuse 53A weist einen ersten Ventilsitz 67 und einen zweiten Ventilsitz 68 zwischen dem Einlaß 54 und dem Auslaß 55 auf. Das erste Ventilelement 64 ist von der inneren Umfangsfläche des Ventilgehäuses 53A etwas beabstandet. Dagegen steht das zweite Ventilelement 66 in abdichtender Gleitberührung mit der inneren Umfangs­ fläche des Gehäuses.

Bei der Steuerventileinrichtung für die Luftströmung er­ fährt das Thermowachs im Temperaturerfassungsteil 58 eine Volumenvergrößerung bei einer Erhöhung der Temperatur des Kühlwassers, wodurch die Stange 59 in der Zeichnung nach rechts verschoben wird. Wenn sich daher das Kühlwasser bei einer bestimmten Temperatur T₁ von z. B. zwischen 0°C und 10°C bei extrem niedriger Motortemperatur befindet, ist die Verbindung zwischen dem Einlaß 54 und dem Auslaß 55, d. h. die Verbindung zwischen den Lufteinführlei­ tungen 51a und 51b, infolge der Druckberührung zwischen dem ersten Ventilelement 64 und dem zweiten Ventilele­ ment 66 und der berührenden Eingriffnahme zwischen dem zweiten Ventilelement 66 und dem Gehäuse 53A verschlos­ sen.

Hat das Kühlwasser eine Temperatur zwischen T₁ und T₂ von z. B. etwa 74°C, dehnt sich der Thermowachs aus, so daß das zweite Ventilelement 66 in Anlage mit dem zweiten Ventilsitz 68 kommt und dadurch vom ersten Ventilelement 64 getrennt wird, so daß nur das erste Ventilelement 64 eine weitere Bewegung nach rechts vornehmen kann. Dadurch wird die Verbindung zwischen dem Einlaß 54 und dem Aus­ laß 55 wieder hergestellt.

Wenn die Kühlwassertemperatur den Wert T₂ übersteigt, wird das erste Ventilelement 64 weiter nach rechts ver­ schoben und gelangt in Druckberührung mit dem ersten Ven­ tilsitz 67, was die Verbindung zwischen dem Einlaß 54 und dem Auslaß 55 wieder schließt. Das Steuerventil 53, das die Steuereinrichtung für die Luftströmung bildet, ist so ausgelegt, daß die Ventilschließtemperatur von 74°C zum Schließen der Verbindung zwischen den Luftein­ führleitungen 51a, 51b niedriger als die Ventilschließ­ temperatur T_t von 76°C ist, bei der die Thermostate 32, 33 die Bypassleitung 27 schließen. Bei der vorliegenden Aus­ führungsform dient der das Temperaturerfassungsteil 58 füllende Thermowachs als Einrichtung zur Erfassung des Motorbetriebszustandes und die Stange 59 als starre Einrichtung zur Steuerung der Stellung der Ventilelemente 64, 66 entsprechend den Motorverbrennungsverhältnissen. Das Thermowachsmaterial und die Stange 59 bilden die temperaturempfindliche Ventilbetätigungseinrichtung.

Die Funktionsweise der vorbeschriebenen Ausführungsform wird nachfolgend erläutert.

Wenn sich die Temperatur des Kühlwassers unterhalb von z. B. 76°C beim erstmaligen Start des Motors im kalten Zustand befindet, wird dies durch die Thermostate 32, 33 erfaßt und die Bypassleitung 27 geöffnet. Das Kühlwasser, das die Wärme im Wassermantel des Motors aufnimmt, fließt daher nicht durch den Kühler 22, sondern wird über die Bypassleitung 27 zur Wasserpumpe 34 geführt und erneut unter Druck dem Wassermantel zugeführt.

Bei einem solchen Motorbetriebszustand mit niedriger Tem­ peratur besteht im allgemeinen die Gefahr, daß an der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse gemaß Fig. 6 Kavita­ tionserosion auftritt. Zu diesem Zeitpunkt ist für die Volumenänderungen des Thermowachses im Temperaturerfas­ sungsteil 58 des Steuerventiles 53, das die Temperatur des Kühlwassers im Thermostatgehäuse 31 mißt, der Temperatur­ bereich T₁-T₂ des Kühlwassers maßgebend, bei dem das Auftreten von Kavitationserosion höchst wahrscheinlich ist. Wie zuvor beschrieben, steht das zweite Ventilelement 66 in fester Anlage an dem zweiten Ventilsitz 68 und sind das erste und zweite Ventilelement voneinander getrennt, so daß gemäß Fig. 5 die Luftzuführleitungen 51a, 51b miteinander verbunden sind. Die Luft im Luftspeicherraum 46 des Wasser­ tankes 41 gelangt daher unter dem Druckunterschied zwischen dem Druck P₁ im Luftspeicherraum 46 und dem Druck P₂ nahe dem Auslaßende 56 der Luftzuführleitung 51b in das Kühl­ wasser in Form von Luftblasen. Während des Motorbetriebes treten Druckschwankungen im Kühlwasser des Wassermantels infolge von Stoßbeanspruchungen zwischen der Zylinder­ laufbuchse und dem Kolben auf. Diese Druckschwankungen wer­ den geschwächt, indem die eingeführten Luftblasen eine flexible Volumenverformung vornehmen. Die Druckschwankungen längs des Wassermantels, insbesondere an der Zylinderlauf­ buchse, werden hierdurch verringert, was wirksam das Auf­ treten von Kavitation hemmt. Infolge davon wird Kavita­ tionserosion an der Wand verhindert und damit die Lebens­ dauer des Motors verlängert.

Wenn die Temperatur des Kühlwassers bei weiterem Betrieb des Motors den Wert T₂ von z. B. 74°C überschreitet, sinkt die Gefahr, daß Kavitation im Wassermantel des Motors auftritt, erheblich. Der Thermowachs im Temperaturer­ fassungsteil 58 des Steuerventiles 53 erfaßt wiederum diese Kühlwassertemperatur und erfährt eine weitere Aus­ dehnung. Wie vorbeschrieben, erfährt das erste Ventil­ element 64 hierdurch in der Zeichnung eine Bewegung nach rechts, um in Anlage mit dem ersten Ventilsitz 67 zu tre­ ten, wodurch die Verbindung zwischen den Luftzuführlei­ tungen 51a, 51b verschlossen sind. Dadurch wird die Ein­ speisung von Luft in das Kühlwasser im Hochtemperaturbe­ reich, bei dem Kavitation selten auftritt, sicher unter­ bunden und das Wärmeaufnahmevermögen des Kühlwassers er­ höht, so daß der Motor in herkömmlicher Weise gekühlt wird, um thermisch bedingte Schäden am Motor zu verhindern, was wiederum ebenfalls die Lebensdauer des Motors ver­ längert.

Wenn die Temperatur des Kühlwassers oberhalb der Ventil­ schließtemperatur T_t von z. B. 76°C liegt, wird dies von den Thermostaten 32, 33 erfaßt und beginnen die Thermosta­ te mit dem Schließen der Bypassleitung 27 und dem Öffnen der oberen Leitung 24. Das Kühlwasser, das vom Motor 21 in die obere Leitung 24 gelangt ist, fließt deshalb zum Kühler 22, wo es seine Wärme abgibt, um danach im ge­ kühlten Zustand über die untere Leitung 26 von der Wasser­ pumpe 34 angesaugt und zurück zum Motor 21 gepumpt zu wer­ den. Die Temperatur des Kühlwassers wird auf diese Weise herabgesetzt. Wenn die Kühlwassertemperatur auf die Ven­ tilschließtemperatur T_t der Thermostate 32, 33 abgefal­ len ist, öffnen diese das Ventil, um das Kühlwasser durch die Bypassleitung 27 fließen zu lassen, so daß infolge der geringen Wärmeabfuhr die Temperatur des Kühlwassers wieder ansteigt. Dieser Vorgang wiederholt sich, so daß die Temperatur des Kühlwassers auf einem annähernd kon­ stanten Wert gehalten werden kann.

Bei der vorliegenden Ausführungsform erfährt das Thermo­ wachsmaterial des Temperaturerfassungsteiles 58 des Steuer­ ventiles 53 eine Kontraktion, wenn die Kühlwassertempera­ tur unter dem extrem niedrigen Wert T₁ liegt. Dies hat zur Folge, daß in der minimal ausgefahrenen Position das erste und zweite Ventilelement 64, 66 in Druckberüh­ rung miteinander, nämlich am linken Ende, stehen, so daß die Verbindung zwischen den Luftzuführleitungen 51a, 51b verschlossen wird. Mit Ausnahme während der ganz anfäng­ lichen Phase der Motorkühlperiode, bei der Luft nicht in das Kühlwasser eingeführt wird, die jedoch in Bezug auf das Auftreten von Kavitation vernachlässigt werden kann, wird Luft zur Verhinderung der Kavitation bei im wesent­ lichen sämtlichen Zuständen im Niedertemperaturbereich zugeführt. Wenn ferner Leckverluste des Wachses im Tem­ peraturerfassungsteil 53 auftreten und sich die Ventile 64, 66 in der erwähnten minimal ausgefahrenen Stellung befinden, sind die Luftzuführleitungen 51a, 51b voneinander getrennt, so daß keine Einführung von Luft in das Kühl­ wasser erfolgt. Selbst wenn Leckverluste des Wachses bei hohen Kühlwassertemperaturen auftreten sollten, d. h. bei Temperaturen, bei denen Kavitationserosion kaum festge­ stellt wird, wird das Einführen von Luft in das Kühlwasser verhindert, was wiederum verhindert, daß sich die Kühl­ wirkung des Kühlers verschlechtert.

Um Luft in das Kühlwasser über der Luftzuführleitungen 51a, 51b einzuführen, wenn die Temperatur des Kühlwassers im niedrigen Bereich liegt, ist das Auslaßende 56 der Luftzuführleitung 51b nahe beim Bypasseinlaß 35c der Wasserpumpe 34 angeordnet und erstreckt sich dieses Aus­ laßende von der Innenwand des Wasserpumpengehäuses 35 über die Strecke D nach innen, so daß das Kühlwasser nahe dem Auslaßende 56 einen niedrigen Druck P₂ infolge der größeren Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers und der Pumpensaugkraft erzeugt. Wie in Fig. 8 durch die Kurve A angedeutet, wird der Druckunterschied P₁-P₂ zwi­ schen dem Ein- und Auslaß der Luftzuführleitung mit steigender Drehzahl größer, was das Einmischen von Luft in das Kühlwasser erleichtert, so daß die Menge an ein­ gemischter Luft pro Zeiteinheit ansteigt. Jedoch wird auch bei niedrigen Motordrehzahlen, bei denen die Geschwindig­ keit der Kühlwasserströmung gering ist, noch ein ausreichen­ der Luftansaugeffekt erhalten. Wenn die Temperatur des Kühlwassers die Ventilschließtemperatur T_t der Thermostate 32, 33 übersteigt, strömt ein Teil des Kühlwassers durch den Kühler 22 und wird die Kühlwasserströmung im Bereich der Ansaugöffnung der Wasserpumpe 34 gleichförmig. Die Kühlwasserströmung im Bereich des Bypasseinlasses 35c ver­ ringert sich, so daß der Druck P₂ an dieser Stelle an­ steigt. Der Druckunterschied P₁-P₂ am Einlaß und Auslaß der Luftzuführleitung 42 folgt dann der flacheren Kurve B in Fig. 8. Selbst wenn das Steuerventil 53 aufgrund irgend­ welcher Störungen bei hohen Kühlwassertemperaturen offen bleiben sollte, ist die Menge an in das Kühlwasser einge­ führter Luft extrem gering, so daß dadurch der Kühleffekt nicht beeinträchtigt werden würde. Die Verringerung der Menge an eingemischter Luft bei hoher Kühlwassertemperatur stellt eine bevorzugte Hilfsmaßnahme dar, die die Funktion des Steuerventiles 53 in Bezug auf die Genauigkeit unter­ stützt.

Da die Luftzuführleitung 51b nahe der Ansaugöffnung der Wasserpumpe 34 ausmündet, bewirkt die Rotation des Lauf­ rades der Wasserpumpe, daß die durch das Einmischen der Luft entstehenden Luftblasen auf mikroskopische Abmes­ sungen verkleinert werden. Das Kühlsystem hat daher keine Stelle, wo sich die Luft ansammelt. Ferner ist die Strö­ mung der Luftblasen gleichmäßig, was einen wirksamen Puffereffekt gegen die auftretenden Wasserdruckschwankun­ gen sicherstellt.

Das Auslaßende 56 der Luftzuführleitung 51b kann auch an einer anderen Stelle ausmünden, z. B. an der Bypassleitung 27 oder der Hauptansaugöffnung 35a der Wasserpumpe. Bevor­ zugt wird jedoch, daß das Auslaßende 56 an der Bypass­ ansaugöffnung 35c ausmündet, da hierdurch in das Kühlwasser eine große Luftmenge bei nur niedriger Kühlwassertemperatur eingeführt wird.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ventil­ schließtemperatur T₂ des Steuerventiles 53 niedriger als die Ventilschließtemperatur T_t der Thermostaten 32, 33. Dies verhindert gemäß Fig. 7 ein Öffnen und Schlie­ ßen des Ventiles bei wiederholtem Öffnen und Schließen der Thermostate 32, 33 während des Motorbetriebes, wodurch die Anzahl an Öffnungs- und Schließbewegungen des Steuerventi­ les 53 erheblich reduziert ist. Dies verlängert die Lebens­ dauer des Steuerventiles 53 und verringert die Gefahr, daß Fremdstoffe in das Ventil hineingelangen, was die Zuver­ lässigkeit der Steuerung der Lufteinmischung verbessert.

Die Menge an Luft, die vom Luftspeicherraum 46 in das Kühl­ wasser mittels der Luftzuführleitung 51a eingegeben wird, ist durch die Höhe H zwischen dem Wassereinlaß 71 des Wassertanks 41 und dem Einlaßende 52 der Luftzuführleitung 51a bestimmt. Über den Wassereinlaß 71 kann Wasser in den Tank eingegossen werden.

Mit anderen Worten: die Menge an in den Wassertank 41 über den Einlaß 71 eingebenem Wasser soll so sein, daß die Wasser-Füllstandshöhe bis zum inneren oberen Ende des Ein­ lasses 71 reicht. Luft kann dann nicht mehr in das Kühl­ wasser eingeführt werden, wenn die Luft im Luftspeicher­ raum 46 des Wassertanks 41 vor Start des Motors durch ein­ gegossenes Kühlwasser bis zu einer Füllstandshöhe ersetzt worden ist, die bis zum Einlaßende 52 der Luftzuführlei­ tung 51a reicht. Die Menge an in das Kühlwasser einführ­ barer Luft entspricht daher der Luftmenge, die durch die Höhe H des Luftraumes im Wassertank 41 bestimmt ist.

Wenn daher der Wert H in geeigneter Weise zur Verhinderung von Kavitation festgelegt wird, indem z. B. die einzumischen­ de Luftmenge zur Kühlwassermenge in einem Verhältnis von 1 bis 15 Volumen-%, vorzugsweise 4 bis 8 Volumen-%, steht, wird Kavitation in wirksamer Weise verhindert und die Betriebszuverlässigkeit des Motors verbessert, jedoch werden gleichzeitig die Kühlwirkung des Kühlers und die Wirkung der Wagenheizung beibehalten.

Mit steigender Temperatur des Kühlwassers dehnt sich die­ ses aus. Aus diesem Grunde sollte die Lagehöhe der Mün­ dungsöffnung der Luftzuführleitung so gelegt werden, daß, wenn das Kühlwasser die Temperatur erreicht hat, bei der das Auftreten von Kavitation nicht mehr wahr­ scheinlich ist, die Füllstandshöhe L des Kühlwassers in­ folge der Expansion oberhalb der Mündungsöffnung der Luft­ zuführleitung 51a liegt. Luft kann dann nicht mehr über die Mündungsöffnung im Temperaturbereich angesaugt werden, bei dem Kavitation nicht auftritt. Dies schafft eine Sicherheitsmaßnahme, falls das Steuerventil 53 ausfällt.

Anstelle des Vorsehens des sich in den Wassertank 41 er­ streckenden Wassereinfülleinlasses 71 kann die Eckseiten­ wand des Wassertanks, wie durch die strichpunktierte Linie 41A in Fig. 1 angedeutet, abgeschrägt sein, so daß der Einfülleinlaß direkt an der Schrägfläche ausmünden kann.

Andere bevorzugte Ausführungsformen der Luftdosiereinrich­ tung im Wassertank sind in Fig. 9 bis 13 gezeigt.

Die Ausführungsform nach Fig. 9 und 10 dient der Rege­ lung der maximalen Füllstandshöhe an Kühlwasser, das in den Wassertank 81 vor Start des Motors eingegeben werden kann. Insbesondere ist eine Einfüllkappe 83 auf das äußere Ende eines Wassereinfüllstutzens 82 am Was­ sertank 81 aufgesetzt, um den Einfüllstutzen 82 abzu­ dichten. Die Einfüllkappe 83 weist eine Auslaßöffnung 84 auf, die sich durch die Kappe axial hindurcherstreckt. Ferner ist an einer bestimmten Höhenstelle in der Seiten­ wand des Wassertanks 81 eine Überlauföffnung 85 vorge­ sehen. Die Auslaßöffnung 84 und die Überlauföffnung 85 sind durch einen flexiblen Schlauch 87, z. B. aus einem Vinylkunststoff, miteinander verbunden. Die Einfüllkappe 83 ist über eine Kette an der Außenwand des Stutzens 82 befestigt. Die Kette hat eine solche Länge, daß die Kappe bis zu einer Stelle unterhalb der Überlauföffnung 85 herabhängen kann, wenn sie gemäß Fig. 10 von dem Einfüllstutzen 82 entfernt worden ist.

Wenn bei dieser Anordnung die Einfüllkappe 83 vom Wasser­ einfüllstutzen 82 vor Motorstart entfernt wird, um Wasser von einem Kanister 89 in den Wassertank einzugießen, läuft das überschüssige Kühlwasser durch das Rohr 87 und die Auslaßöffnung 84 ab, so daß die Höhe L, bis zu der das Kühlwasser im Wassertank ansteigen kann, nicht höher als die Stelle ist, an der die Überlauföffnung 85 vorge­ sehen ist. Das Volumen des Wassertankes oberhalb der Über­ lauföffnung 85, insbesondere das Volumen des Wassertanks zwischen der Oberlauföffnung 85 und dem Einlaß der Luft­ zuführleitung, sollte so gewählt werden, daß die Menge an Luft vorliegt, die in das Kühlwasser zur Verhinderung von Kavitation eingemischt werden muß.

Fig. 11 zeigt einen Wassertank mit einer Luftdosierein­ richtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Wasser­ tank 101 hat einen Wassereinfüllstutzen 102 und eine Einfüllkappe 103. Ein Zusatztank 104, der den Luftspeicher­ raum bildet, ist durch Halterungen 105a, 105b im Wasser­ tank 101 befestigt. Der Zusatztank 104 steht mit dem Wassertank 101 durch eine Öffnung 106 in Verbindung, die am unteren Bereich des Tankes vorgesehen ist. Eine Auslaßleitung 107, die mit der Ansaugseite der Wasserpumpe in Verbindung steht, mündet in der Bodenwand des Wasser­ tanks 101 aus, während eine Einlaßleitung 108, die mit dem oberen Reservoir des Kühlers in Verbindung steht, und eine Einlaßleitung 109, die mit einer aufstromseitigen Stelle des Thermostatgehäuses in Verbindung steht, beide im Zusatztank 104 ausmünden. Eine Luftzuführleitung 110 mündet in den oberen Teil des Zusatztankes 104.

Wenn bei dieser Anordnung Kühlwasser über den Einfüllstutzen 102 eingegeben wird und sich das Kühlwasserniveau im Zu­ satztank 104 nahe der Öffnung 106 befindet, steigt das Kühlwasser im Wassertank 104 infolge der Kühlwasserzufuhr erheblich an. Die Menge an durch die Leitung 110 zuzuführen­ der Luft entspricht der Luftmenge im Zusatztank 104, die durch das Kühlwasser verdrängt worden ist, bis das Kühl­ wasser im Zusatztank 104 soweit angestiegen ist, daß es die Lufteinlaßöffnung der Luftzuführleitung 110 über­ deckt, d. h. die zuzuführende Luftmenge entspricht dem Luft­ volumen im Zusatztank 104 zwischen der unteren Öffnung 106 und der Lufteinlaßöffnung der Leitung 110. Dies steht in keiner Beziehung zur Temperatur des Kühlwassers zum Zeit­ punkt, wo dieses eingefüllt wird. Wenn sich das Kühlwasser im Wassertank während des Motorbetriebes infolge von Tem­ peraturerhöhung ausdehnt, steigt der Wasserpegel im Wasser­ tank 101. Gleichzeitig dehnt sich auch die Luftschicht am oberen Bereich des Wassertanks 101 aus, jedoch wird der da­ durch entstehende Luftdruck durch die als Sicherheitsven­ til fungierende Einfüllkappe 103 nach außen abgeleitet. Das Kühlwasserniveau im Wassertank 101 kann sich daher ändern und die Luftmenge im oberen Raum des Wassertankes 101 kleiner werden, doch bleibt das Kühlwasser im Zu­ satztank 104 auf im wesentlichen der gleichen Füllstandshöhe, da der Luftspeicherraum keine den Luftdruck abführende Verbindung zur Außenatmosphäre hat.

Selbst wenn daher sich das Kühlwasser aufgrund des Tem­ peraturunterschiedes beim Eingießen und nach Start des Motors ausdehnt, erfährt die Luftmenge im Zusatztank 104 keine Änderung, so daß die Menge an einzumischender Luft hierdurch weder vergrößert noch verkleinert wird. Irgend­ welche überschüssige Luft im Zusatztank 104 wird in den oberen Raum des Wassertankes 101 abgeleitet, indem sie über die Öffnung 106 in den Tank 101 ausströmt und nach oben steigt.

Wie in Fig. 12 dargestellt, kann ein Zusatztank 114 da­ dadurch gebildet werden, daß man an der oberen Wand eines Wassertankes 111 eine Trennwand 112 so befestigt, daß sie sich nach unten erstreckt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 12 dient die Luftzuführleitung 110A auch als Auslaßleitung für das Kühlwasser. Die Luftzuführleitung 110A bewirkt daher je nach Füllstandshöhe L des Kühlwassers, daß an der Saugöffnung der Wasserpumpe Luft und/oder Kühlwasser angesaugt wird. Wie durch strichpunktierte Li­ nien in Fig. 12 angedeutet, kann der Zusatztank 114A auch dadurch gebildet werden, daß man einen Teil der oberen Wand des Wassertankes 111 nach oben umformt.

Die Luftspeichereinrichtung ist nicht auf die vorbeschrie­ benen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können zahl­ reiche Modifikationen ohne Abweichen vom Schutzbereich der Erfindung vorgenommen werden.

Ein Gesichtspunkt der Erfindung ist die Erfassung des Motorbetriebszustandes, bei dem Kavitationserosion an der Wand des Wassermantels leicht auftreten kann, oder schon aufgetreten ist, und die Betätigung der Steuerventile für die Luftströmung entsprechend dem erfaßten Motorbetriebs­ zustand. Diesbezügliche Modifikationen werden nachfolgend beschrieben.

Die Kühlwassertemperatur, die einen Motorbetriebszustand angibt, kann in der in Fig. 13 dargestellten Weise erfaßt werden, wonach der Temperaturerfassungsteil 58 des Steuerventiles 53 anders als bei Fig. 1 im Wassermantel 120 des Zylinderblockes 21A des Motors angeordnet ist. Vor­ zugsweise hat hierbei das Ventil 53 eine Schließtempera­ tur, die etwas höher als die Kühlwasser-Schließtemperatur von 74°C am Thermostatgehäuse ist. Z.B. beträgt die Kühl­ wassertemperatur im Wassermantel 120 80°C, so daß dem Unterschied der Kühlwassertemperaturen im Wassermantel 120 und im Thermostatgehäuse Rechnung getragen ist.

Der Motorbetriebszustand, bei dem Kavitationserosion leicht auftritt, ist in Fig. 14 dargestellt und zeigt je nach Motordrehzahl und -belastung eine unterschiedliche Kavi­ tationsverteilung. In Fig. 14 betrifft das Bezugszeichen A den Bereich, bei dem das Auftreten von Kavitationserosion festgestellt wird, und B den Bereich, bei dem Kavitations­ erosion beträchtlich ist. Gemäß Fig. 15 kann folgende Einrichtung vorgesehen werden. Z.B. können ein bekannter Motordrehzahlsensor 131 zur Erfassung der Drehzahl des Motors und ein Belastungssensor 132 zur Erfassung der Motorbelastung vorgesehen werden. Der Motorbetriebszustand läßt sich dann anhand dieser Sensoren ermitteln. Eine Steuer­ einheit 134 in Gestalt eines Mikrocomputers mit einer Ein­ gabe/Ausgangsschnittfläche, einer Zentraleinheit und einer Speichereinrichtung speichert die Daten für die Motordreh­ zahl und die Belastung in den Bereichen A und B, bei denen gemäß Fig. 14 Kavitationserosionen leicht auftreten kann. Diese Bereiche A und B sind zuvor anhand von Experimenten ermittelt worden. Der gespeicherte Wert und der erfaßte Motorbetriebszustand werden miteinander verglichen, und durch eine Entscheidungseinrichtung 134A wird festgestellt, ob sich der Motor in einem Betriebszustand befindet, bei dem Kavitationserosion auftreten kann. Wenn dies der Fall ist, wird ein Signal von einer Ventilerregungseinrichtung 134B an ein elektromagnetisches Ventil 135 gegeben. Das elektromagnetische Ventil 135 ist zwischen den Luftzuführ­ leitungen 51a, 51b anstelle des Steuerventiles 53 nach Fig. 1 angeordnet und öffnet sich aufgrund eines Erreger­ signales von der Steuereinheit 134, so daß Luft in die Luftansaugseite der Wasserpumpe 34 aus dem Luftspeicher­ raum im Wassertank 41 angesaugt werden kann, was das Auf­ treten von Kavitation verhindert. Ferner kann auch ein Sensor 133 für die Motorkühlwassertemperatur vorgesehen werden, dessen Signal in die Steuereinheit 134 eingegeben wird. Wenn die Entscheidungseinrichtung 134A feststellt, daß das erfaßte Signal in dem bestimmten Temperaturbe­ reich liegt, bei dem Kavitation leicht auftreten kann, wird das elektromagnetische Ventil durch die Ventilerregerein­ richtung 134B geöffnet. Bei dieser Anordnung gelangt Luft in das Kühlwasser nur bei niedrigen Kühlwassertemperaturen, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Die vorbeschriebene Einrichtung verhindert, daß Luft in das Kühlwasser auch bei Betriebszuständen gelangt, bei denen mit dem Auftreten von Kavitation nicht zu rechnen ist, so daß die Kühlwirkung sichergestellt ist. Anstelle der Motordrehzahl und Motor­ belastung zur Kennzeichnung des Motorbetriebszustandes kann auch ein anderer Parameter, z. B. die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung, gewählt werden.

Der Motorbetriebszustand für leichtes Auftreten von Kavi­ tation kann auch anhand des Verhältnisses der zuzumischen­ den Luftmenge zur Kühlwassermenge, d. h. dem Luftmischungs­ verhältnis, definiert werden.

Das Luftmischungsverhältnis ändert sich mit der Menge an Luft in Bezug auf die Menge an Kühlwasser unter Berücksich­ tigung des Umstandes, daß die Kühlwassermenge durch Ver­ dampfung oder Leckverluste kleiner wird. Daher ist ein Detektor zur Erfassung des Luftmischungsverhältnisses im Kühlwasser-Umlaufsystem, z. B. in der oberen Leitung, ange­ ordnet. Wie in Fig. 16 dargestellt, sind ein Ultraschall­ oszillator 141 und ein Empfänger 142 an der Innenwand der Kühlwasserleitung so vorgesehen, daß sie unter rechtem Winkel zur Strömungsrichtung des Kühlwassers stehen. Die vom Oszillator 141 ausgehenden Ultraschallwellen laufen durch das Kühlwasser und treffen auf den Empfänger 142. Der Pegel des am Empfänger 142 ankommenden Signales ist umso niedriger, je höher das Mischungsverhältnis von Luftblasen im Kühlwasser ist. Das Empfangssignal des Empfängers 142 wird über elektrische Leiter 143 in den Mikrocomputer gegeben, wo es mit einem bestimmten Signalpegel in der Entscheidungseinrichtung 134A verglichen wird, um das untere Luftmischungsverhältnis zu erfassen, bei dem Kavitation leicht auftreten kann. Über die Ventiler­ regereinrichtung 134B geht dann ein Ausgangssignal zum Öffnen an das elektromagnetische Ventil 135. Es kann aber auch die Verschlechterung der Kühlwirkung des Kühl­ wasser infolge eines Luftmischungsverhältnisses erkannt werden, das höher als der bestimmte Wert ist. In diesem Fall wird ein Ausgangssignal zum Schließen des elektro­ magnetischen Ventiles 135 abgegeben. Auf diese Weise wird das Luftmischungsverhältnis auf dem bestimmten Wert und das Kühlwasser in einem Zustand gehalten, bei dem ohne Auf­ treten von Kavitation eine gute Kühlwirkung vorliegt. Vor­ zugsweise erfolgt die Steuerung der Öffnungs- und Schließbewegung des elektromagnetischen Ventiles auch in Abhängig­ keit von der Kühlwassertemperatur.

Der Motorbetriebszustand, bei dem leicht das Auftreten von Kavitation möglich ist, kann auch durch die Erfassung der wesentlichen Umstände definiert werden, unter denen Kavi­ tation auftritt. Während des Motorbetriebes treten im Was­ sermantel infolge von Schwingungen der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinderblockes Druckschwankungen im Wasser auf. Dabei wird eine Ultraschallwelle erzeugt, wenn Kavitation eintritt. Diese Ultraschallwelle hat eine Breitbandfre­ quenzkennlinie. Indem man die Resonanzfrequenz eines Ultra­ schalloszillators in den Breitbandbereich legt, wird der Ultraschalloszillator durch die erzeugten Ultraschallwellen in Schwingungen versetzt, so daß hierdurch das Auftreten von Kavitation erfaßt werden kann. Der Ultraschalloszillator kann anstelle des Steuerventiles 53 in Fig. 13 angeordnet sein. Wenn der Ultraschalloszillator in Schwingung gerät, gibt die Steuereinheit 134 in Fig. 15 ein für diese Schwin­ gungen kennzeichnendes Ausgangssignal ab, um das elektro­ magnetische Ventil 135 zu öffnen.

In Fig. 18 hat ein Ultraschalloszillator 151 an seinem vorderen Ende einen Aufnehmerteil 152 zur Erfassung der Ultraschallwellen. Dieser Aufnehmerteil besteht aus einem Material, wie z. B. Piezogummi, und ist mit der Steuereinheit 134 durch ein Koaxialkabel 153 verbunden. Der Aufnehmerteil 152 wird in eine hohle Montagebüchse 154 eingesetzt und mittels einer Spannmutter darin verklemmt. Die Montagebüchse 154 mit dem daran befestigten Ultraschalloszillator 151 wird dann in die Wand des durch den Zylinderblock 21A und die Zylinderbuchse 121 gebildeten Wassermantels 120 einge­ schraubt und befestigt.

In Verbindung mit Fig. 6 wurde schon erläutert, daß der Motorbetriebszustand, der das leichte Auftreten von Kavi­ tation ermöglicht, im Bereich liegt, bei dem die Temperatur des Motorkühlwassers unterhalb eines bestimmten Wertes liegt. In diesem Fall ist die Kavitation beträchtlich. Die­ ser Bereich mit niedriger Motortemperatur liegt, grob ge­ sprochen, eine gewisse Zeitdauer nach Start des Motors vor. Die Erfassung des Motorbetriebszustandes, der das Auftre­ ten von Kavitation begünstigt, kann daher auch durch die Motoranlaufphase gemäß Fig. 19 definiert werden. Insbesondere ist ein Öldruckschalter 161, der in den AUS-Zustand kommt, wenn der Motoröldruck einen bestimmten Wert überschritten hat, am Motor 21 befestigt. Ein Zeitglied 162 ist ferner vorgesehen, das den Öldruckschalter 161 eine bestimmte Zeit lang in den EIN-Zustand versetzt, nachdem der Öldruckschal­ ter 161 in den AUS-Zustand gebracht worden ist. Die Steuer­ einrichtung für das elektromagnetische Ventil 135 umfaßt eine Batterie 163, einen Schalter 164 für den Zündschlüssel, das Zeitglied 162, das elektromagnetische Ventil 135 und eine Reihenschaltung zur Erdung.

Zum Start des Motors wird der Schalter 164 mit dem Zünd­ schlüssel in die Stellung EIN gebracht, was das Zeitglied 162 durch Zufuhr des Stromes von der Batterie 164 beauf­ schlagt, so daß das Zeitglied betriebsbereit wird. Sobald der Motor dann tatsächlich gestartet wird und der Motoröl­ druck ansteigt, um den Öldruckschalter 161 auszuschalten, wird ein Kontakt des Zeitgliedes 162 durch dieses AUS-Sig­ nal geschlossen, so daß das Zeitglied nunmehr seinen Be­ trieb beginnt. Das in den Luftzuführleitungen 51a, 51b eingefügte elektromagnetische Ventil 135 wird hierdurch erregt, um die Verbindung zwischen den Luftzuführleitungen 51a, 51b freizugeben. Dadurch wird die Luft im Luftspeicher­ raum 46 des Wassertankes 41 in das Kühlwasser in Gestalt von Luftblasen über die Leitungen 51a, 51b eingeführt. Das Einmischen von Luft findet solange statt, wie das Zeit­ glied 162 in Betrieb ist.

Nach Verstreichen einer durch das Zeitglied 162 vorgege­ benen Zeit schaltet das Zeitglied 162 ab, so daß das elektromagnetische Ventil 135 abfällt und schließt, so daß die Verbindung zwischen den Luftzuführleitungen 51a, 51b unterbrochen wird und die Zumischung von Luft in das Kühlwasser aufhört. Während dieser Zeit ist jedoch die Temperatur des Kühlwassers ausreichend angestiegen, so daß das Auftreten von Kavitation nicht mehr wahrscheinlich ist.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Verhindern von Kavitation bei wassergekühlten Verbrennungsmotoren, insbesondere zur Unterdrückung von an der Wassermantelwand auftretender Kavitationserosion, mit einem Kühlwasser-Umlaufweg (24, 26) zwischen dem Wassermantel des Motors und einem Kühler (22), einer im Kühlwasser-Umlaufweg angeordneten Wasserpumpe (34), einer oberhalb des Kühlwasser-Umlaufweges angeordneten Einrichtung (41, 104) mit einem Speicherraum zum Speichern von Luft mit einer Einlaßleitung (44, 45) und einer Auslaßleitung (42), die beide in Verbindung mit dem Kühlwasser-Umlaufweg stehen, und einer Luftzuführleitung (51a, 51b), die den Speicherraum mit der Ansaugseite der Wasserpumpe (34) verbindet, um die Luft von der Luftspeichereinrichtung durch die Saugkraft der Pumpe in das Kühlwasser zu leiten, gekennzeichnet durch eine in der Luftspeichereinrichtung vorgesehene Einrichtung (52, 73) zum Einstellen eines dem Kühlwasser-Umlaufweg zuzuführenden Luftvolumens im Speicherraum, ein in der Luftzuführleitung (51a, 51b) angeordnetes Steuerventil (53, 135) für die Luftströmung, eine Einrichtung (58, 131, 132, 133, 141, 142, 151, 161) zur Erfassung des Motorbetriebszustandes, bei dem das Auftreten von Kavitationserosion an der Wand des Kühlmantels wahrscheinlich ist, und eine Steuereinrichtung (53, 134) zur Betätigung des Steuerventiles anhand des Ausganges der Erfassungseinrichtung, um bei dem Motorbetriebszustand, bei dem das Auftreten von Kavitationerosion wahrscheinlich ist, eine hohe Luftströmung vorzusehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspeichereinrichtung einen Wassertank (41) mit einem Einfüllrohr (73) zum Einfüllen von Kühlwasser in den Kühlwasser-Umlaufweg umfaßt, wobei das innere Ende des Einfüllrohres (73) in einem Abstand (H) unterhalb des Einlaßendes (52) der Luftzuführleitung (51a, b) im Wassertank angeordnet ist, wobei das Volumen des Wassertanks zwischen dem inneren Ende des Einfüllrohres und dem Einlaßende der Luftzuführleitung der Menge an dem Kühlwasser zuzumischender Luft entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlaßende (52) der Luftzuführleitung (51a, b) an einer Stelle liegt, die niedriger als die Kühlwasserfüllstandshöhe ist, die sich infolge einer Volumenausdehnung des Kühlwassers bei einer Temperatur, bei der keine Kavitation zu erwarten ist, einstellt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen hermetisch verschlossenen Zusatztank (104) mit einer unteren Öffnung (106), die in Fluidverbindung mit einem Wassertank (101) zum Einfüllen von Kühlwasser steht, wobei der Auslaß der Einlaßleitung und das Einlaßende der Luftzuführleitung (110) mit dem Zusatztank in Verbindung stehen und das Einlaßende der Luftzuführleitung auf einer solchen Höhe angeordnet ist, daß das Volumen des Zusatztankes (104), das durch den Abstand zwischen dem Einlaßende der Luftzuführleitung und der unteren Öffnung (106) des Zusatztankes definiert ist, der Menge an in das Kühlwasser einzumischender Luft entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen flexiblen Schlauch (87), der an einem Ende eine Kühlwasser- Überlauföffnung (85), die in einem Wassertank (46) zum Einfüllen von Kühlwasser an einer Seitenwand ausmündet, und eine Auslaßöffnung (84) an seinem anderen Ende hat, und eine Einfüllkappe (83) zum Verschließen der Verbindung der Auslaßöffnung (84) mit der Außenseite des Wassertanks, wobei das Volumen des Wassertanks zwischen der Überlauföffnung (85) des Schlauches und dem Einlaßende (52) der Luftzuführleitung (51a, b) der Menge an in das Kühlwasser einzumischender Luft entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführleitung (51a, b) ein Auslaßende (56) hat, das von der Innenwand des Wasserpumpengehäuses (35) im Bereich der Ansaugöffnung der Wasserpumpe absteht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (53) betätigbar ist, um die Öffnungsweite der Luftzuführleitung (51a, b) zu verstellen, daß die den Motorbetriebszustand erfassende Einrichtung (58) ein der Temperatur des vom Motor zum Kühler (22) fließenden Kühlwassers ausgesetztes Wachsmaterial umfaßt, das eine Volumenänderung bei einer Temperaturänderung des Kühlwassers erfährt, und daß die Ventilsteuereinrichtung ein Gehäuse (53), welches das Wachsmaterial so hält, daß die Volumenänderung nur in einer Richtung erfolgt, und eine Einrichtung (59) umfaßt, um die Volumenänderung des Wachsmaterials auf das Ventil zu übertragen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil ein elektromagnetisches Ventil (135) ist, das in der Luftzuführleitung (51a, b) eingefügt ist, und daß die Ventilsteuereinrichtung eine elektrische Schalteinrichtung (134) umfaßt, die die Zuführung eines elektrischen Signales zum elektromagnetischen Ventil entsprechend einem Erfassungswert steuert, der von der Erfassungseinrichtung (131, 132, 133, 141, 142, 151, 161) für den Motorbetriebszustand geliefert wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil ein elektromagnetisches Ventil (135) ist, und daß die Ventilsteuereinrichtung weiter aufweist: eine Steuereinheit (134) zur Ermittlung des Zustandes, bei dem Kavitationserosion schon aufgetreten oder das Auftreten von Kavitationserosion wahrscheinlich ist, anhand eines Vergleiches eines für den Motor-Ist-Zustand kennzeichnenden Erfassungssignales von der Erfassungseinrichtung (131, 132, 133, 141, 142, 151, 161) für den Motorbetriebszustand mit einem Bezugswert, und eine Einrichtung (134B) zur Erregung des elektromagnetischen Ventiles aufgrund eines Signales von der Steuereinheit (134).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung für den Motorbetriebszustand einen Temperatursensor zur Erfassung der tatsächlichen Temperatur des Motorkühlwassers umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung für den Motorbetriebszustand eine Einrichtung (131, 132, 133) zur Erfassung verschiedener Motorbetriebsparameter einschließlich der Motorbelastung und Motordrehzahl umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung für den Motorbetriebszustand eine Einrichtung (141, 142) zur Erfassung des Luftmischungsverhältnis im Kühlwasser umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung für den Motorbetriebszustand einen an der Wand des Wassermantels des Motors befestigten Ultraschalloszillator (141, 142) zur Erfassung einer bei Auftreten von Kavitation hervorgerufenen Ultraschallwelle umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventileinrichtung ein elektromagnetisches in die Luftzuführleitung (51a, b) eingefügtes Ventil (135) ist, daß die Erfassungseinrichtung für den Motorbetriebszusand eine Einrichtung (161) ist, die den Start des Motors erfaßt, und daß die Ventilsteuereinrichtung eine Verzögerungseinrichtung (162) umfaßt, um das von der Erfassungseinrichtung gelieferte Motorstartsignal an das elektromagnetische Ventil zum Zweck des Schließens mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung weiterzuleiten.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Temperatur ansprechendes Ventil (32, 33) an der Einlaßseite einer das Kühlwasser vom Wassermantel zur Wasserpumpe (34) leitenden Bypassleitung angeordnet ist, um die Bypassleitung zu öffnen, wenn die Temperatur des Kühlwassers einen bestimmten Wert unterschreitet, und daß die Einrichtung zur Erfassung des Motorbetriebszustandes ein Temperatursensor (58) ist, der die tatsächliche Temperatur des Kühlwassers erfaßt, die der Ansprechtemperatur des Ventiles (32, 33) entspricht.