DE3433319A1 - Einkreiskuehlung fuer ladeluftgekuehlte schiffsmotoren - Google Patents

Einkreiskuehlung fuer ladeluftgekuehlte schiffsmotoren

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Description

M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
üb/sw
Nürnberg, den 06. Seotemer 1984
Einkreiskühlung für ladeluftgekühlte Schiffsmotoren
Die Erfindung geht aus von einer durch die DE-AS 1 476 gekannt gewordenen Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
In der Regel werden wassergekühlte Schiffs-Dieselmotoren mit Frisch- oder Süßwasser gekühlt, welches in geschlossenem Kreis unter Verwendung einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Wasserpumpe durch die Kühlmäntel des Motors zirkuliert und anschließend einem Wärmeaustauschvorgang unterworfen wird. Der Wärmeaustauschvorgang findet in einem Kühler (Rohrbündel^Wasser-/Wasserkühler) ..-,--statt, der mit Rohwasser (d.h. See- bzw. Salzwasser) beaufschlagt wird. Wesen der zunehmenden Gewässerverschmutzung verwendet besonders die Fluß- und Küstenschiffahrt aber auch immer mehr Außenhaut-Kühlanlagen. Hierbei wird das Motorkühlwasser in einem im Schiffsrumpf außen vom Gewässer umspülten Außenhautkühler rückgekühlt.
Die Verwendung von Rohwasser bietet sich bei Schiffsmotoren schon deswegen an, weil dadurch Kühlwasser mit niedrigem Temperaturniveau (Gewässertemperatur) angeboten wird, was hinsichtlich der erwünschten bzw. notwendigen Ladeluftkühlung im Interesse hoher Motorleistung von Bedeutung ist.
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Bei einem gemeinsamen Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennkraftmaschine einerseits und der Ladeluft und eventuell noch anderer Medien {beispielsweise Motor- und Getriebeöl) andererseits ist es erforderlich, die Motor- bzw. Verbrennungstemperatur auf einem höheren Niveau als die der Ladeluft bzw. anderer Medien zu halten, wobei die Temperaturen für die Kühlflüssigkeit beim Motor etwa zwischen 78 und 85 Grad Celsius liegen, während für die Ladelufttemperatur kleiner/gleich 45 Grad Celsius einzuhalten ist.
Gemeinsame Kühlkreisläufe, die diese Aufgabe lösen, sind bekannt.
So zeigt beispielsweise die EP-OS 54792 einen Kühlkreislauf, bei dem die gesamte Motor-Kühlwassermenge im Hinblick auf einen guten Austauschgrad durch einen Luft-Wasser-Hauptkühler geleitet und danach in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine über einen als Nebenkühler ausgebildeten Kühler und einen Ladeluftkühler geleitet (Ladeluftkreislauf) und dann mit dem anderen Teilstrom (Haupt- bzw. Brennkraftmaschinenkreislauf) vor Eintritt in die Brennkraftmaschine wieder vereinigt wird. Die Aufteilung erfolgt entweder durch ein (aufwendiges) Teilmengenregelventil, welches temperatur- oder zeitabhängig gesteuert wird, oder durch ein (vereinfachtes) Mengenregelventil (variable Blende), welches im Nebenkreis vorliegt und vom Systemdruck oder der Temperatur gesteuert wird.
Nachteilig ist hierbei, daß neben dem Ladeluftkühler noch ein weiterer Kühler (Nebenkühler) erforderlich ist, und daß für den Warmlauf der Brennkraftmaschine ein weiteres Teilmengenregelventil, welches für die gesamte umlaufende Wassermenge bemessen ist und vor dem Luft-Wasser-Hauptkühler
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angeordnet ist, notwendig ist. Zudem ist die hier vorgeschlagene Mengenaufteilung mit dem zweiten Teilmengen- oder Mengen- Regelventil äußerst problematisch, insbesondere bei Motoren mit großem Betriebs- Drehzahlbereich und mit dem üblichen konstanten Übersetzungsverhältnis der vom Motor angetriebenen Wasserpumpe, da der Strömungsdruck, abhängig von der Wasserpumpen-Drehzahl, sehr stark schwankt. Wegen der Regelträgheit sind deshalb bei krassen Belastungsänderungen gefährliche Betriebszustände im Ladeluftkühler zu erwarten.
Weiter ist ein Flüssigkeitskreislauf für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Zwangsumlauf der Kühlflüssigkeit nacheinander durch Brennkraftmaschine, Rückkühler und Ladeluftkühler sowie mit einer die beiden Kühler umgehenden Kurzschlußleitung bekannt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der aus der Brennkraftmaschine austretende Kühlflüssigkeitsstrom in.zwei durch je ein Regelventil beherrschte Teilströme aufgeteilt ist, wobei das eine Regelventil in Abhängigkeit von der Ladelufttemperatur im Ladeluftkühler und das andere Regelventil in Abhängigkeit von der Temperatur der in die Brennkraftmaschine einströmenden Kühlflüssigkeit gesteuert wird, und daß jedes Regelventil zwei Austrittskanäle aufweist, von denen je ein Austrittskanal in die die Kühler umgehende Kurzschlußleitung 'und je ein Austrittskanal in die zum Rückkühler führende Leitung mündet (DE-AS 1 476 384).
Der' Nachteil dieses Kühlsystems, bei dem übrigens ein Außenhautkühler Verwendung findet, besteht darin, daß zwei Regelventile Verwendung finden, die, wie vorstehend angegeben, gesteuert werden. Dadurch läßt sich der für Hochleistungsmotoren geforderte schnelle Warmlauf nach dem Start (also das Erreichen der korrekten Betriebstemperatur innerhalb weniger Minuten) bei diesem System nicht erreichen, da bei heißer Ladeluft ein Teil des Kühlwassers aus dem Motorkreislauf abgeführt wird, welches im Hauptkühler (Rückkühler)
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stark abgekühlt und dann anschließend im Ladeluftkühler und Ölkühler nur geringfügig wieder erwärmt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Kühlkreis der gattungsgemäßen Art auf möglichst einfache Weise so auszugestalten, daß einerseits die für Hochleistungsmotoren mit extrem schwankender Motorbelastung geforderte rasche Aufwärmung des Motors nach dem Kaltstart innerhalb weniger Minuten erreicht und bei Teillast die Warmhaltung des Motors durch den Ladeluftkühler nicht beeinträchtigt wird, und daß andererseits ständig eine intensive Kühlung der Ladeluft erzielt werden kann, indem ohne Zeitverzögerung sofortige Bereitschaft des Ladeluftkühlers zu voller Kühlleistung gegeben ist, wie diese bei häufigen schroffen Laständerungen nötig ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein einziger Vierwegethermostat mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen vorgesehen ist, dessen Regelelement (Thermostateinsatz) ständig und direkt von dem im Kühlmantel der Brennkraftmaschine vorliegenden und aufgewärmten Kühlmittel umflossen wird, daß das Thermostat in der Wartnl auf phase des Motors geschlossen ist, wodurch mit Hilfe einer ersten Kühlmittelpumpe einerseits das die Brennkraftmaschine umgebende Kühlmittel im reinen Kurzschlußbetrieb und mit Hilfe einer zweiten Kühlmittelpumpe andererseits das im gemeinsamen Kühlkreislauf vorliegende Kühlmittel ebenfalls im reinen Kurzschlußbetrieb geführt wird und daß bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine bei offenem Thermostat nur etwa ein Viertel der für den Motorkreislauf erforderlichen Kühlmittelmenge in den gemeinsamen Kühlkreislauf gelangt.
Hierdurch ergibt sich eine ständige Zwangsdurchströmung des Ladelauftkühlers mit Kühlmittel niedrigem Temperaturniveaus kleiner/gleich 45°, wodurch gefährliche Betriebszu-
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stände im Ladeluftkühler vermieden werden. Eine thermische Überlastung extrem instationär belasteter Hochleistungsmotoren kann nicht eintreten. Auch ergibt sich eine sehr rasche Aufwärmung des Motors nach dem Kaltstart, indem dabei bewußt auf eine Aufheizung der Ladeluft durch Wärmeentzug aus dem Motor-Kühlmittel verzichtet wird. Durch den erfindungsgemäßen Vierwegethermostat kann auf teuere Mengenregulierventile, die von Sensoren angesteuert werden, verzichtet werden. Durch den erwähnten Thermostat erfolgt auch die Motortemperaturregelung. Diese wird durch gesteuertes Zuführen von Kühlmittel aus dem Ladeluftkühlerkreislauf niedrigen Temperaturniveaus erreicht, indem nur etwa ein Viertel der für den Motorkreislauf erforderlichen Kühlmittelmenge im gemeinsamen Kühlkreislauf umläuft. Hierdurch ergibt sich zusätzlich der Vorteil einer klein und billig bauenden Kühlmittelpumpe im Ladeluftkühlerkreislauf (gemeinsamen Kühlkreislauf), eines klein bauenden Thermostaten sowie kleiner Leitungsdurchmesser.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung entnommen werden, wobei der Vierwegethermostat vergrößert dargestellt ist.
Die Figur zeigt für die Brennkraftmaschine 1 einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf für die Motor- und Ladeluftkühlung, wobei die im Kreislauf geführte Kühlmittelmenge mit Hilfe eines einzigen Vierwegethermostaten 2 geregelt wird. Neben diesem Thermostat liegt im Kreislauf noch eine erste (3) und eine zweite (4) Kühlmittelpumpe vor.
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Erstere ist vor der Brennkraftmaschine 1 am Kühlmitteleintritt 1a vorgesehen und letztere innerhalb des gemeinsamen Kreislaufes, genauer gesagt im Ladeluftkuhlkreislauf zwischen dem sogenannten Außenhautkühler 5 und dem Ladeluftkühler 6. Das aus der Brennkraftmaschine 1 ausgetretene Kühlmittel (Kühlmittelaustritt 1b) wird über die Leitung 7 dem Thermostate 2 zugeführt und gelangt von dort über die Leitung 8 nacheinander in den bereits erwähnten Außenhautkühler 5, der mit Rohwasser (Rohwasserzuführung 9, Rohwasserabführung 10) beaufschlagt wird, in den Ladeluftkühler 6 und dann in den Ölkühler 11 (zur Kühlung des Motor- und Getriebeöls), von dem es wieder zurück über die Leitung 12 zum Thermostat 2 geführt wird. Dieser Thermostat 2 weist zwei Eingänge 12, 13 und zwei Ausgänge 14, 15 auf. Dabei steht der Eingang 12 mit dem Kühlmittelaustritt 1b der Brennkraftmaschine 1 und der Eingang 13 über die Leitung 12 mit dem Kühlmittelaustritt 16 aus den Kühlern 5, 6 , 11 in Verbindung. Ein Ausgang 14 des Thermostaten 2 führt über die Leitung 8 zum Kühlmitteleintritt 17 in die Kühler 5, 6, 11 und der andere Ausgang 15 zumvKühlmitteleintritt 1a der Brennkraftmaschine 1 . Innerhalb des Thermostaten liegt ein Thermostateinsatz 2a vor, welcher ständig über eine Steuerleitung 18 von einer bestimmten Menge (10 bis 20 l/min.) des im Kühlmantel der Brennkraftmaschine 1 vorliegenden und aufgewärmten Kühlmittels umflossen wird. Die Steuerleitung 18 geht vom Kühlmittelaustritt 1b der Brennkraftmaschine 1 ab und mündet in den Kühlmitteleintritt 1a der Brennkraftmaschine 1 wieder ein.
Der Thermostateinsatz 2a steuert ein Doppelventil, ein Ventil 19 und ein Ventil 20. In der Warmlaufphase (Kaltbetrieb) ist das Ventil 19 geschlossen, d.h. der Ventil- , teller -19a liegt am Ventilsitz 19b an und versperrt die Öffnung 21 zum Ausgang 15, welcher zum Kühlmitteleintritt
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la der Brennkraftmaschine 1 führt. Bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (Warmbetrieb) liegt dagegen der Ventilteller 20a am Ventilsitz 20b an und versperrt die innerhalb des Thermostats 2 vorliegende Bypassöffnung 22, welche mit dem Ausgang 14 des Thermostaten 2 in Verbindung steht.
Die höchste im (gemeinsamen) Kreislauf geführte Motorkühlmittelmenge betragt etwa ein Viertel der für den eigentlichen Motorkeeislauf erforderlichen Kühlmittelmenge. Dies wird durch entsprechende Auslegung ston Pumpe 4 und zugehörigen Leitungen erreicht.
Aus der Figur sind auch noch Entlüftungs- bzw. Fülleitungen 23, 24 für den Brennkraftmaschinenkühlmantel bzw. den Außenhautkühler entnehmbar, die mit einem einzigen Kühlwasserausgleichsbehälter 25 in Verbindung stehen.
Die vorstehend beschriebene Kühleinrichtung arbeitet in den verschiedenen Betriebszuständen wie folgt:
In der Warmlaufphase nach dem Kaltstart (in der Fig. dargestellt) ist der Ladeluftkühlkreislauf durch das Thermostat 2 völlig vom Motorkühlkreislauf getrennt. Dabei ist das Ventil 19 geschlossen und das Ventil 20 ganz offen (d.h. der Weg durch die Bypassöffung 22 frei). Dadurch wird mit Hilfe der ersten Kühlmittelpumpe 3 das die Brennkraftmaschine 1 umgebende Kühlmittel im reinen Kurzschlußbetrieb (vgl. Bezugsziffer 26) geführt (beispielsweise 1000 l/min.). Ebenfalls im reinen Kurzschlußbetrieb (vgl. Bezugsziffer 27) wird mit Hilfe der zweiten Kühlmittelpumpe 4 das im gemeinsamen Kühlkreislauf (in dem Fall der reine Ladeluftkühlkreislauf ) vorliegende Kühlmittel geführt. Hierdurch wird innerhalb weniger Minuten die korrekte Motorbetriebstemperatur erreicht und die sofortige Funktionsbereitschaft des Lade-
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luftkühlers garantiert, da die Temperatur des in den Ladeluftkühler 6 strömenden Kühlmittels, welches vorher den Außenhautkühler 5 passierte, stets unter 45° liegen wird.
Erreicht der im Bypassbetrieb arbeitende Motorkühlmittelkreislauf eine Betriebstemperatur von ca. 79°(Beaufschlagung des Thermostateinsatzes 2a erfolgt ständig über die Steuerleitung 18), beginnt der im Kaltbetrieb geschlossene Ventilteller 19 a zu öffnen und gleichzeitig der im Kaltbetrieb offene Bypassteller 20a zu schließen, so daß Kühlmittel niedrigen Temperaturniveaus aus dem Ladeluftkuhlkreislauf dem Motorkühlmittel in der ersten Kühlmittelpumpe 3 zugemischt wird. Das zugemischte Kühlmittel wird dabei zur sicheren Vermeidung gefährlicher Betriebszustände im Ladeluftkühlkreis nach dem Verlassen des letzten Kühlers (Ölkühlers 11) höchstens eine Temperatur von kleiner/gleich 49° aufweisen, um bei plötzlicher Vollast die maximal zulässige Ladelufttemperatur nicht zu überschreiten, was bei Hochleistungsmotoren mit schroffen Last- und Drehzahländerungen im Hinblick auf die Vermeidung thermischer Überlastung kompromißlos gefordert wird. Da im gemeinsamen Kühlkreislauf nur ca. ein Viertel der für den Motorkreislauf erforderlichen Kühlmittelmenge fließt (also ca. 250 1/Rin.) wird dies immer erreicht.
Wie bereits erwähnt, erfolgt also die Motortemperaturregelung durch thermostatgeregeltes Zuführen von Kühlmittel aus dem Ladeluftkreislauf niedrigen Temperatürniveaus, indem stets nur etwa ein Viertel (ca. 250 l/min.) der für den Motorkreislauf erforderlichen Kühlmittelmenge umläuft. Hat das Motorkühlmittel eine Temperatur von etwa 85° Betriebstemperatur erreicht, ist die Bypassöffnung 22 im Thermostat 2 ganz geschlossen und die Durchtrittsöffnung ganz offen (strichliert dargestellt), d.h. es werden 250 1/m.in.
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am Kühlmittel austritt 1b der Brennkraftmaschine 1 abgezweigt und nach Druchtritt durch die Kühler 5,6,11 dem Kühlmantel (Kühlmitteleintritt 1a) der Brennkraftmaschine 1 eingespeist (vgl. Bezugsziffer 28). Bei Temperaturen zwischen 79 und 85° erfolgt nur die Rückführung einer Teilmenge von Kühlmittel in die Brennkraftmaschine, der Rest wird im Bypaß geführt. Aufgrund der jeweiligen Einstellung der die Öffnungen 21, 22 steuernden Ventile 19, 20 des Thermostateinsatzes 2a wird die vorbestimmte Betriebstemperatur des Erennkraftmaschinen-Kühlmittels eingeregelt; d.h. im vorliegenden Fall, daß ein Ansteigen der Kühlmitteltemperatur über 85" am Kühlmittelaustritt 1b der Brennkraftmaschine unterbunden wird.
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Claims (8)

  1. M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft
    Nürnberg, den 06. September 1984
    Patentansprüche
    / 1 .)Kühleinrichtung mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennkraftmaschine einerseits und der Ladeluft und eventuell anderer Medien andererseits, wobei mittels eines Thermostats der Austritt des Kühlmittels aus der Brennkraftmaschine gesteuert wird und das aus der Brennkraftmaschine ausgetretene Kühlmittel dann nacheinander durch einen sogenannten Außenhautkühler, der mit Rohwasser beaufschlagt wird, einen Ladeluftkühler und eventuell weitere Kühler wieder in den Kühlmantel der Brennkraftmaschine zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Vierwegethermostat (2) mit zwei Eingängen (12, 13) und zwei Ausgängen (14, 15) vorgesehen ist, dessen Regelelement (Thermostateinsatz 2a) ständig und direkt von dem im Kühlmantel der Brennkraftmaschine (1) vorliegenden und aufgewärmten Kühlmittel umflossen wird, daß das Thermostat (2) in der Warmlaufphase des Motors geschlossen ist, wodurch mit Hilfe einer ersten Kühlmittelpumpe (3) einerseits das die Brennkraftmaschine (1) umgebende Kühlmittel im reinen Kurzschlußbetrieb und mit Hilfe einer zweiten Kühlmittelpumpe (4) andererseits das im
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    gemeinsamen Kühlkreislauf vorliegende Kühlmittel ebenfalls im reinen Kurzschlußbetrieb geführt wird und daß bei Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine (1) bei offenem Thermostat (2) nur etwa ein Viertel der für den Motorkreislauf erforderlichen Kühlmittelmenge in den gemeinsamen Kühlkreislauf gelangt.
  2. 2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermostateinsatz (2a) über eine Steuerleitung (18) von einer bestimmten Steuerkühlmittelmenge beaufschlagt wird, wobei die Steuerleitung vom Kühlmittelaustritt (1b) der Brennkraftmaschine (1) abgeht und in den Kühlmitteleintritt (1a) der Brennkraftmaschine (1) mündet.
  3. 3. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermostateinsatz (2a) auf ein Doppel ventil (19, 20) wirkt, wobei im geschlossenen Zustand des einen Ventils jeweils das andere Ventil geöffnet ist.
  4. 4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits das eine Ventil (19) eine Durchtrittsöffnung (21) und das andere Ventil (20) eine Bypassöffnung (22) steuert, wobei erstere (21) eine Verbindung zum Kühlmitteleintritt (1a) der Brennkraftmaschine (1) und letztere (22) eine Kurzschlußverbindung Kühlmittel austritt (16) aus den Kühlern/Kühlmitteleintritt (17) in die Kühler herstellt oder absperrt.
  5. 5. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (12) des Thermostaten (2) mit dem Kühlmittelaustritt (1b) der Brennkraftmaschine (1) und der Eingang (13) mit dem Kühlmittelaustritt (16) aus den Kühlern (5, 6, 11) in Verbindung steht und ein
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    Ausgang (14) des Thermostaten (2) zum Kühlmitteleintritt (17) in die Kühler (5, 6, 11) führt und der andere Ausgang (15) zum Kühlmitteleintritt (1a) der Brennkraftmaschine (1).
  6. 6. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühlmittelpumpe (3) am Kühlmitteleintritt (la) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist.
  7. 7. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlmittelpumpe (4) im gemeinsamen Kühlkreislauf (genauer gesagt im Ladeluftkühlkreislauf) angeordnet ist.
  8. 8. Kühleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlmittelpumpe (4) in der Kühlmittelleitung vom Außenhaut-kühler (5) zum Ladeluftkühler (6) vorgesehen ist.
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