DE3534593C2 - - Google Patents

Description

Ein aus der nicht vorveröffentlichten DE 35 04 038 A1 bekanntes Verdampfungskühlsystem für Verbrennungsmotoren weist einen Kondensator auf, der über Leitungen mit dem Kühlmantel des Verbrennungsmotors verbunden ist. Das bekannte Verdampfungskühl­ system umfaßt ferner eine Prozeßsteuerung, deren Eingangspara­ meter von einem Drehzahlsensor, einem Drosselklappensensor sowie einem Kühlmitteltemperatursensor im Kühlmantel zugeführt werden. Die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmantel wird von der Prozeßsteuerung durch Steuerung eines Kühlgebläses auf eine Motorlast abhängig vorbestimmten Wert gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verdampfungskühl­ system für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welches bei Integration des Ölkühlers die Temperatur des Schmiermittels des Verbrennungsmotors derart aufrecht erhält, daß sie parallel zur Steuerung der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors verläuft.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der verschiedenen Lastbereiche eines Verbrennungsmotors anhand des Ansaugunterdrucks und der Drehzahl des Verbrennungsmotors,

Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung des Siedepunktes des Kühlmittels anhand der Größen, Druck und Temperatur,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines Verdampfungskühlsystems,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Ölkühlers der ersten Ausführungsform,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Ölkühlerausbildung einer zweiten Ausführungsform des Verdampfungskühlsystemes, und

Fig. 6 bis 12 Flußdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen.

Fig. 1 zeigt anhand des Drehmomentes eines Verbrennungsmotors und der Motordrehzahl die verschiedenen Lastbereiche, die bei einem Verbrennungsmotor auftreten können. In dieser graphischen Darstellung bezeichnet die Kurve F die Drehmomentkennlinie bei vollgeöffneter Drosselklappe, die Kurve L den in einer Ebene auftretenden Fahrwiderstand eines Kraftfahrzeuges, und die Bereiche I, II und III bezeichnen die Fahrzustände "Stadtfahrt", "Fahren mit hoher Geschwindigkeit" und "Fahrt bei großer Last" (wie z. B. Bergfahrten, Abschleppen usw.).

Eine geeignete Kühlmitteltemperatur für den Bereich I beträgt ungefähr 110°C und für die Bereiche II und III 90 bzw. 80°C. Die hohe Temperatur bei der Stadtfahrt fordert einen besseren thermischen Wirkungsgrad. Andererseits stellt die niedrige Temperatur sicher, daß ausreichend Wärme vom Verbrennungsmotor und den mit diesen verbundenen Teilen abgeführt wird, um ein Klopfen und/oder Beschädigungen des Verbrennungsmotors in den anderen Bereichen zu verhindern. Bei Betriebsbedingungen, die zwischen der ersten, zweiten und dritten Zone liegen, ist es möglich, die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors auf ungefähr 100°C zu halten.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem wird zur Steuerung der Temperatur des Verbrennungsmotors der Umstand ausgenutzt, daß bei einem Kühlsystem mit siedendem Kühlmittel und Dampf als Wärmeübertragungsmedium die tatsächlich zwischen dem Kühlmantel und dem Kühler strömende Kühlmittelmenge sehr klein ist, die vom Verbrennungsmotor pro Kühlmittelvolumen abgeführte Wärmemenge sehr groß ist, und beim Sieden der innerhalb des Kühlmantels vorliegende Druck (und infolgedessen der Siedepunkt des Kühlmittels) ansteigt, wenn das verwendete System geschlossen ist. Somit es es möglich, bei einer nur begrenzten am Kühler vorbeiströmenden Kühlluftmenge die Kondensationsmenge pro Zeiteinheit zu verringern. Dadurch wird erreicht, daß der Druck innerhalb des Kühlsystems über den Atmosphärendruck ansteigt, was zu einer in Fig. 7 dargestellten Situation führt. Unter diesen Bedingungen siedet das Kühlmittel des Verbrennungsmotors bei Temperaturen oberhalb von 100°C, beispielsweise bei ungefähr 119°C, was einem Druck von ungefähr 1,9 at entspricht.

Andererseits ist beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit durch Erhöhung der am Kühler vorbeiströmenden Kühlluftmenge möglich, die Kondensationsmenge pro Zeiteinheit innerhalb des Kühlers auf einen Wert anzuheben, der den im Kühlsystem vorliegenden Druck auf einen Wert unterhalb des Atmosphärendruckes absengt und somit zu einem Zustand führt, in dem das Kühlmittel bei Temperaturen in der Größenordnung von 80 bis 90°C siedet. In einem solchen Zustand kann jedoch Luft in das Innere des Kühlkreislaufes gelangen, so daß es wünschenswert ist, das Maß zu begrenzen, bei dem sich ein Unterdruck entwickeln kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Kühlmittel in den Kühlkreislauf von einem Behälter eingeleitet wird, was den Druck im System auf einen geeigneten Wert anhebt.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines Verdampfungskühlsystemes dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist ein Verbrennungsmotor 100 einen Zylinderblock 102 auf, an dem lösbar ein Zylinderkopf 104 angebracht ist. Der Zylinderblock 102 und der Zylinderkopf 104 weisen Hohlräume auf, die einen Kühlmantel 106 um den einer Erwärmung ausgesetzten Teil des Verbrennungsmotors 100 bilden.

Eine Dampfrohrverzweigung 108 ist lösbar am Zylinderkopf 104 befestigt und mit einem Kondensator bzw. Kühler 110 über eine Dampfüberführungsleitung 112 in Verbindung steht. Bei dieser Ausführungsform weist der Kondensator 110 eine Vielzahl von nicht dargestellten Leitungen mit relativ kleinem Durchmesser auf, die in ein kleines Sammelgefäß bzw. einen unteren Behälter 114 münden. Eine Kühlmittelrückführleitung 116 führt vom unteren Behälter 114 zum Kühlmantel 106. Bei dieser Ausführungsform steht die Rückführleitng 116 mit dem Zylinderblock 102 an einer dem Boden des Kühlmittels 106 naheliegenden Stelle in Verbindung.

Eine Kühlmittelrückführpumpe 118 geringer Kapazität ist in einer Leitung 116 in der dargestellten Weise angeordnet. Die Kühlmittelrückführpumpe 118 kann wahlweise zum Zuführen von Kühlmittel vom unteren Behälter 114 zum Kühlmantel 106 eingeschaltet werden.

Zur Betriebssteuerung der Kühlmittelrückführpumpe 118 ist ein erster Pegelsensor 120 im Kühlmantel 106 angeordnet. Wie dargestellt, befindet sich der Pegelsensor 120 auf einer Höhe H1, die um einen vorbestimmten Wert oberhalb des einem großen Wärmefluß ausgesetzten Bereiches des Verbrennungsmotors angeordnet ist, welcher die Zylinderköpfe, die Auslaßöffnungen und die Ventile des Verbrennungsmotors 100 umfaßt. Dadurch wird sichergestellt, daß dieser Bereich ausreichend im Kühlmittel eingetaucht ist, um die Bildung örtlicher Trockenzonen und damit eine Beschädigung des Verbrennungsmotors aufgrund örtlicher Überhitzung zu vermeiden. Der Pegelsensor 120 kann hierbei so ausgestaltet sein, daß er eine hysterese Kennlinie aufweist, um einen schnellen EIN/AUS-Betrieb der Kühlmittelrückführpumpe 118 zu verhindern.

Unterhalb des Pegelsensors 120 ist ein Kühlmitteltemperatursensor 122 derart angeordnet, daß er sicher in Kühlflüssigkeit eintaucht und sich relativ nahe in dem Bereich des Verbrennungsmotors 100 befindet, der der stärksten Erwärmung ausgesetzt ist.

Ein ständig auf Atmosphärendruck gehaltener Behälter 124 steht über eine Ventil- und Leitungsanordnung mit einem Kühlkreislauf in Verbindung. Hierbei wird mit dem Terminus "Kühlkreislauf" eine Anordnung verstanden, die den Kühlmantel 106, die Dampfrohrver­ zweigungsleitung 108, die Dampfüberführungsleitung 112 und die Kühlmittelrückführleitung 116 umfaßt. Bei dieser Ausführungsform weist die Ventil- und Leitungsanordnung eine Überlaufleitung 126, die von einer in der Dampfrohrverzweigung 108 ausgebildeten Steigleitung 128 abzweigt, ein erstes Ventil 130, welches normalerweise die Überlaufleitung 126 schließt und bei Aktivierung eine Verbindung zwischen der Steigleitung 128 und dem Behälter 124 ermöglicht, ein zweites (Drei-Weg-)Ventil 132, welches in der Kühlmittelrückführleitung 116 an einer Stelle zwischen dem unteren Behälter 114 und der Pumpe 118 angeordnet ist und in einer ersten Stellung eine Verbindung zwischen dem unteren Behälter 114 und der Pumpe 118 (Strömungsweg A) und in einer zweiten Stellung eine Verbindung zwischen dem Behälter 124 und der Pumpe 118 über eine Zuführleitung 138 (Strömungsweg B) herstellt, eine Leitung 140 zum Verändern des Füllzustandes, die vom Behälter 124 zum unteren Behälter 114 führt, und ein drittes Ventil 142 auf, mit dem eine Verbindung zwischen dem unteren Behälter 114 und dem Behälter 124 bei Nichtaktivierung herstellbar ist, und das bei Aktivierung diese Verbindung unterbricht.

Um den im Kühlkreislauf vorliegenden Druck zu erfassen, ist eine auf Druckunterschiede ansprechende Schalteranordnung 146 vorgesehen und in der dargestellten Weise mit der Steigleitung 128 verbunden. Die Schalteranordnung 146 ist so ausgebildet, daß sie zur Ausgabe eines Ausgangssignales angesteuert werden kann, wenn der Druck in der Dampfrohrverzweigung 108 um einen vorbestimmten Wert unter den Atmosphärendruck sinkt.

Ein kleiner, elektrischer Ventilator 148 (oder eine ähnliche Einrichtung) ist neben dem Kondensator 110 angeordnet und leitet eine Luftströmung über dessen Oberfläche, was zu einer Erhöhung des Wärmeaustausches zwischen dem Kondensator 110 und der Umgebungsluft führt.

Eine Prozeßsteuerung 150, die bei dieser Ausführungsform einen Mikroprozessor mit einer CPU (zentrale Recheneinheit), einem RAM (Speicher mit willkürlichem Zugriff), einen ROM (Festwertspeicher) und eine EIN/AUS-Schnittstelle I/O aufweist, ist dazu vorgesehen, Eingangssignale vom Kühlmitteltemperatur­ sensor 122 und vom Pegelsensor 120 aufzunehmen. Der Prozeßsteuerung 150 werden auch Dateneingänge von einem Drehzahlsensor 152 des Verbrennungsmotors 100, einem Lastsensor 154 des Verbrennungsmotors 100 und einem zweiten Pegelsensor 156 zugefügt, der im unteren Behälter 114 auf einer Höhe angeordnet ist, die im wesentlichen gleich derjenigen ist, bei der die Füll/Entleerungsleitung 140 mit jenem in Verbindung steht.

Der ROM des Mikroprozessors enthält verschiedene Steuerprogramme, die zur Steuerung des Betriebes des Ventilators 148, der Pumpe 118 und der Ventile sowie der Ventil- und Leitungsanordnung verwendet werden. Diese Programme werden im einzelnen später erläutert.

Um die Temperatur des Schmiermittels des Verbrennungsmotors 100 derart zu steuern, daß sie bei kaltem Motor schnell auf einen Wert erhöht wird, bei dem wirkungsvolle Schmiereigenschaften vorliegen, wobei die Temperatur des Schmiermittels anschließend an einem eine Verschlechterung der Eigenschaften ergebenden Ansteigen gehindert wird, ist eine Schmiermitteltemperatur­ steuerungseinrichtung bzw. ein Ölkühler 200 in das Kühlsystem des Verbrennungsmotors 100 integriert.

Wie am besten aus Fig. 4 erkennbar ist, weist der Ölkühler 200 der ersten Ausführungsform ein glockenförmiges Gehäuseteil 210 auf, welches auf einem Basiselement 212 angeordnet ist, das seitlich am Zylinderblock 102 befestigt ist. Das Basiselement 212 ist mit Bohrungen versehen, die einen Einlaß- und Auslaßkanal 214 bzw. 216 für das Öl bilden. Gemäß der gewählten Darstellung sind diese Kanäle 214 bzw. 216 mit Kanälen 218 und 220 verbunden, die in den Zylinderblock 202 gebohrt sind.

Innerhalb des glockenförmigen Gehäuseteiles 210 befindet sich eine Wärmetauscheranordnung mit oberen und unteren Behältern, die durch eine Vielzahl von Rohren 222 mit relativ kleinem Durchmesser verbunden sind. Wie dargestellt, ist der obere Behälter 224 im wesentlichen ringförmig ausgebildet, während die untere Behälteranordnung in zwei Abschnitte unterteilt ist. Der erste Abschnitt 226A ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet und steht mit dem Einlaßkanal 214 in Verbindung, während die untere Behälteranordnung in zwei Abschnitte unterteilt ist. Der erste Abschnitt 226A ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet und steht mit dem Einlaßkanal 214 in Verbindung, während der zweite Abschnitt 226B, der um den ersten Abschnitt 226A herum angeordnet ist, im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und mit dem Auslaßkanal 216 in Verbindung steht. Mit dieser Anordnung wird das frisch vom Ölsumpf zugeführte Öl in den kreisförmigen Abschnitt 226A eingeleitet, fließt durch einige der Rohre 222 nach oben in den oberen ringförmigen Behälter 224 und anschließend wieder nach unten in den äußeren ringförmigen Behälter Abschnitt 226B über die übrigen Rohre. Anschließend fließt das Öl über die Leitung 220 in den Ölsumpf des Verbrennungsmotors zurück.

Bei der ersten Ausführungsform ist der Ölkühler 200 an einer relativ niedrigen Stelle am Verbrennungsmotor 100 (nämlich auf einer Höhe unterhalb der Höhe H1) angeordnet und steht mit dem Kühlmantel 106 über eine Kühlmittelzuführleitung 228 in Verbindung. Das obere Ende des glockenförmigen Gehäuseteils 210 ist mit einem Dampfrohr 230 mit großem Durchmesser versehen, das mit einem Abschnitt des Kühlmittels 106 über eine Verbindungsleitung 232 oberhalb des Pegels H1 in Verbindung steht. Diese Leitung führt durch den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors und der Kühlflüssigkeit, die im glockenförmigen Gehäuseteil 210 enthalten ist, erzeugten Kühlmitteldampf in den Dampfsammelraum, der innerhalb des oberen Abschnittes des Kühlmittels 206 ausgebildet ist, oder unmittelbar in die Dampfrohrverzweigung 108.

Wird bei dieser Ausführungsform ein Kaltstart des Verbrennungsmotors 100 vorgenommen, bei dem die Temperatur sowohl des Kühlmittels als auch des Schmiermittels einen geringen Wert hat, wird die Temperatur des durch die Wärmetauscheranordnung im Ölkühler hindurchfließenden Schmiermittels auch durch das Kühlmittel des Verbrennungsmotors 100 beim Ansteigen zum Siedepunkt erhöht, so daß sie auf einen Wert angehoben wird, bei dem die Schmiermitteleigenschaften (insbesondere die Viskosität) des Öls optimal sind. Diese schnelle Erwärmung des Schmiermittels des Verbrennungsmotors 100 ist im Hinblick auf eine Verschleißminderung des Verbrennungsmotors von großem Vorteil, da der Verschleiß relativ hoch ist, wenn der Verbrennungsmotor kalt und das Schmiermittel relativ viskos ist. Durch diese Maßnahmen wird eine Temperatur des Verbrennungsmotors schnell auf einen Wert gebracht, bei dem eine wirkungsvolle Verbrennung und Schmierung möglich ist, was unerwünschte Kohlenwasserstoff­ emissionen verringert und gleichzeitig einen schnellen Verschleiß des Verbrennungsmotors vermeidet. Ist der Verbrennungsmotor 100 und das Schmiermittel erwärmt, kann weiterhin verhindert werden, daß die Temperatur des Schmiermittels zu stark ansteigt, was eine Verschlechterung der Schmiermitteleigenschaften und unter Umständen eine Beschädigung der wärmeempfindlichen Lagermetalle zur Folge haben könnte. Wenn nämlich das Öl durch den Ölkühler strömt, kann dessen Wärme auf das Kühlmittel im glockenförmigen Gehäuseteil 210 übertragen werden. Bei ausreichender Wärmeaufnahme vom Kühlmittel kann der erzeugte Kühlmitteldampf durch das Dampfrohr 230 und die Leitung 232 in den Dampfsammelraum bzw. die Dampfrohrverzweigung 108 gelangen, wo er sich mit dem durch das Kühlmittel im Kühlmantel 106 erzeugten Dampf vermischt.

Hieraus wird deutlich, daß die Temperatur des Schmiermittels mit der Motorlast verändert wird, da es in der gleichen Weise wie das Kühlmittel im Kühlmantel gesteuert wird. Wenn daher mit einem derartigen Verbrennungsmotor eine Stadtfahrt unternommen wird, neigt die Öltemperatur verglichen zu einer Fahrt mit hoher Last zu einem Anstieg. Daher kann die Temperatur des Verbrennungsmotors bei allen Betriebszuständen gleichmäßig gehalten werden.

Ferner kann neben einer unmittelbaren Zuführung des zu kühlenden Öls vom Ölsumpf des Verbrennungsmotors auch Öl aus einem eventuell vorgesehenen Drehmomentwandler und/oder einem hydraulischen Steuerkreis eines automatischen Getriebes durch den Ölkühler geleitet und dem Sumpf zum weiteren Umlauf zugeführt werden, wodurch die große Wärmeableitkapazität des erfindungsgemäßen Kühlsystemes ausgenutzt werden kann.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verdampfungskühl­ systems, die im wesentlichen der ersten Ausführungsform entspricht, sich jedoch von dieser dadurch unterscheidet, daß die Lage des Ölkühlers erhöht ist, so daß das obere Ende des glockenförmigen Gehäuseteils gerade oberhalb des Pegels H2 liegt und das Oberteil der Wärmetauscheranordnung des Ölkühlers unterhalb dieses Pegels liegt und somit vollständig in die Kühlflüssigkeit eingetaucht ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein kleiner Dampfsammelraum innerhalb des Ölkühlers ausgebildet, um ein gewisses Sprudeln des Kühlmittels zu ermöglichen, was bei stark erwärmtem Kühlmittel auftreten kann.

Weitere Unterschiede bestehen darin, daß das Basiselement der ersten Ausführungsform durch eine Schließplatte 234 ersetzt ist, daß die Verbindung zwischen dem Schmiersystem und dem Verbrennungsmotor sowie dem Ölkühler über flexible Leitungen 236 und 238 erfolgt und das der Ölkühler über eine Klammer 240 am Verbrennungsmotor befestigt ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Innere des glockenförmigen Gehäuses 210 und die Leitungen 228, 232 Teil des zuvor definierten "Kühlkreislaufes" sind.

Vor dem Betrieb ist es erforderlich, den "Kühlkreislauf" vollständig mit Kühlmittel zu füllen und jegliche nicht-kondensierbare Materie zu verdrängen. Hierzu ist es möglich, eine in der Zeichnung nicht näher gezeigte Klappe zu entfernen, die die Steigleitung 128 schließt und von Hand das System mit Kühlflüssigkeit zu füllen, beispielsweise mit Wasser oder einer Wasser-Frostschutzmittel-Mischung. Andererseits oder auch in Kombination mit der vorhergehend beschriebenen Maßnahme ist es möglich, einen Kühlmittelüberschuß im Behälter 124 einzufüllen, und das Ventil 132 derart einzustellen, daß der Strömungsweg B freigegeben wird sowie die Pumpe 118 einzuschalten, bis das Kühlmittel sichtbar aus der geöffneten Steigleitung 128 herausfließt. Wird zu diesem Zeitpunkt die nicht näher dargestellte Klappe in ihrer Lage fixiert, ist es möglich, das System in einem völlig gefüllten Zustand hermetisch abzudichten.

Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm eines Steuerungsprogrammes, welches den Gesamtbetrieb des in Fig. 3 gezeigten Kühlsystems verwaltet. Wie dargestellt, wird anschließend an den Start des Verbrennungsmotors und die Vorbereitung des Systems die Kühlmitteltemperatur bestimmt, indem der Ausgang des Temperatursensors 122 beim Arbeitsschritt 1002 erfaßt wird. Wenn die Kühlmitteltemperatur unterhalb eines vorbestimmten Wertes (T_L) liegt, welcher in diesem Falle auf 45°C eingestellt wurde, geht das Steuerungsprogramm zum Arbeitsschritt 1003, bei dem ein Unterprogramm zum Entfernen von nicht-kondensierbarer Materie durchgeführt wird. Wenn jedoch die Temperatur oberhalb von 45°C liegt, umgeht das Programm den Reinigungsbetrieb und läuft direkt zum Arbeitsschritt 1004 unter der Annahme, daß aufgrund noch warmen Kühlmittels der Verbrennungsmotor nicht für längere Zeit ausgeschaltet worden ist und die Zeit nicht ausgereicht hat, daß Umgebungsluft oder ähnliches in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors eingedrungen ist und ihn verschmutzt hat.

Wenn jedoch die Temperatur oberhalb von 45°C liegt, umgeht das Programm den Reingungsbetrieb und läuft direkt zum Arbeitsschritt 1004 unter der Annahme, daß aufgrund noch warmem Kühlmittels der Verbrennungsmotor nicht für längere Zeit ausgeschaltet worden ist und die Zeit nicht ausgereicht hat, daß Umgebungsluft oder ähnliches in den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors eingedrungen ist und ihn verschmutzt hat.

Beim Arbeitsschritt 1004 wird eine Aufwärm/Verdrängungs-Betriebsart initialisiert. Während dieses Programmes wird jegliches überschüssiges Kühlmittel, welches in den Kühlkreislauf während des Anhaltens des Verbrennungsmotores eingedrungen ist, verdrängt, bis

• a) das Kühlmittel bei einer Temperatur siedet, die für die gerade vorliegende Betriebsart des Verbrennungsmotors geeignet ist, oder
• b) eine minimale Kühlmittelmenge im Kühlkreislauf zurückgehalten wird (nämlich das Kühlmittel im Kühlmantel 106 und dem unteren Behälter 110, die die Pegel H1 bzw. H2 annehmen).

Es sei darauf hingewiesen, daß bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor und einem durch ein "Abschalt"-Steuerprogramm erreichten vorbestimmten Zustand (was später anhand von Fig. 12 näher beschrieben werden wird) Kühlmittel vom Behälter 124 in den Kühlkreislauf aufgrund eines Druckunterschiedes eindringen kann, welcher auftritt, wenn der Kühlmitteldampf in den flüssigen Zustand kondensiert. Demgemäß wird in Abhängigkeit von der Tempratur des Kühlmittels und der Kühlmitteldampfmenge, die im Kühlkreislauf bleibt, letzterer teilweise bis vollständig mit Kühlflüssigkeit gefüllt sein.

Nach der Kühlmittelverdrängung gelangt das Steuerprogramm zum Arbeitsschritt 1005, bei dem ein normales Betriebssteuerungsprogramm eingeleitet wird. Dieses Programm steuert den Betrieb der verschiedenen Teile des Kühlsystems derart, daß die Temperatur entsprechend der Motorlast und/oder anderer Parameter verändert wird, und daß sichergestellt wird, daß der Kühlmittelpegel im Kühlmittel auf einem ausreichenden Pegel gehalten wird, um die stark erwärmten Teile des Verbrennungsmotors ausreichend tief in Kühlflüssigkeit einzutauchen.

Wenn der Druck innerhalb des Kühlkreislaufes aufgrund äußerer Einflüsse, wie Umgebungstemperatur, Feuchtigkeit und ähnliches, abfällt, wird ein Unterdruck-Steuerungsprogramm (Arbeitsschritt 1006) ausgeführt, während dann, wenn der Einschluß von verschmutzendem, nicht-kondensierbarem Material oder ähnlichem zum Anstieg der Kühlmitteltemperatur über die mit dem normalen Betriebsprogramm steuerbare Temperatur führt, ein Steuerungsprogramm für ungewöhnlich hohen Druck durchgeführt wird.

Um zu bestimmen, ob der Verbrennungsmotor anhält oder ausgeschaltet ist, wird zu vorbestimmten Zeitintervallen oder Zeitspannen eine Unterbrechung (Arbeitsschritt 1001 - Fig. 3) durchgeführt, um das laufende Steuerungsprogramm zu unterbrechen und festzustellen, ob ein Abschalt-Steuerungsprogramm (Arbeitsschritt 1102) durchgeführt werden soll.

Die zuvor erwähnten Programme werden nun anhand der Fig. 6 bis 12 erläutert.

Steuerungsprogramm zum Reinigen von nicht-kondensierbarer Materie

Ist eine Entscheidung getroffen, daß die Kühlmitteltemperatur unterhalb einer Temperatur liegt, bei der ein sogenannter "Warmstart" durchgeführt werden kann (bei dem die Brennkraftmaschine nach Betrieb nicht ausreichend abgekühlt ist, so daß eine gewisse Luftmenge oder ähnliches in den Kühlkreislauf eingedrungen sein kann), wird eine Reinigung bezüglich nicht-kondensierbarer Materie durchgeführt, um sicherzustellen, daß jegliche Luft oder ähnliches aus dem System entfernt worden ist, bevor es seinen normalen Betrieb aufnimmt. Beim Schritt 1201 dieses Programmes werden die Ventile 140, 134 und 132 eingestellt, wie dies dargestellt ist.

Zur Vereinfachung der Erläuterungen wird im folgenden eine Bezeichnung verwendet, gemäß der die Ventile unter Bezugnahme auf ihre Höhenlage bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform benannt werden. Demgemäß wird das höchste Ventil 130 als Ventil I, das 3-Wege-Ventil 132, das auf einer Höhe zwischen den Ventilen 130 und 142 liegt, als Ventil II und das Ventil 142 als Ventil III bezeichnet.

Beim Arbeitsschritt 1202 wird die Kühlmittelrückführpumpe 118 (C/R-Pumpe) eingeschaltet. Da bei diesem Zustand das Ventil II (132) den Strömungsweg B freigibt, leitet die Pumpe 118 Kühlmittel vom Behälter 124 über die Zuführleitung 138, die in den Kühlmantel 106 über die Kühlmittelrückführleitung 116 führt.

Da zu diesem Zeitpunkt das Ventil I (130) geöffnet ist, kann überschüssiges Kühlmittel, das sich u. U. im Kühlkreislauf angesammelt hat, über die Leitung 126 zurück in den Behälter 124 fließen. Um sicherzustellen, daß die Pumpe 118 ausreichend lang läuft, um den Kühlkreislauf vollständig von Luftblasen oder ähnlichem zu reinigen, wird im Reinigungsprogramm beim Arbeitsschritt 1203 ein "langsamer" ("soft") Zeitmesser oder ähnliches auf Zählen eingestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Zeitmesser 1 so ausgebildet, daß er während einer vorbestimmten Zeitdauer zählt, die von einigen Zehntelsekunden bis zu einer sogar mehreren Minuten reichen kann. Nach Abschluß des Zählvorganges wird die Pumpe 118 angehalten (Arbeitsschritt 1204) und beim Arbeitsschritt 1205 wird der langsame Zeitmesser 1 auf den nächsten Durchlauf zurückgesetzt.

Steuerprogramm zur Kühlmittelverdrängung/Aufwärmen

Die Fig. 9A bis 9B zeigen die Arbeitsschritte, welche das Aufwärmen und Verdrängen des im Kühlkreislauf enthaltenen Kühlmittels betreffen. Wie zuvor erwähnt, kann dieses Programm entweder nach der Reinigung von nicht-kondensierbarer Materie oder bei einem Kühlmitteltemperaturwert oberhalb der vorbestimmten Temperatur beim Schritt 1002 ausgeführt werden.

Beim Schritt 1301 sind die Ventile I, II und III in der dargestellten Weise eingestellt. Das heißt, Ventil I ist geschlossen, das 3-Wege-Ventil ist auf den Strömungsweg B eingestellt und das unterste Ventil 142 ist geöffnet. Beim Schritt 1302 wird festgestellt, ob der Pegel des Kühlmittels im unteren Behälter 114 oberhalb oder unterhalb des Pegels H2 liegt, was durch Erfassen des Ausgangs des Pegelsensors 156 ermittelt wird. Wenn der Pegel des Kühlmittels oberhalb H2 liegt, wird beim Schritt 1303 der Betrieb des Ventilators 148 verhindert, während beim Schritt 1304 ein Befehl zum Schließen des Ventils III ausgegeben wird.

Wenn das Abfragen beim Schritt 1302 ergibt, daß der Pegel des Kühlmittels im unteren Behälter 114 auf dem oder unterhalb des Pegels H2 liegt, wird im Schritt 1305 der Ausgang der Druckunterschied-Schalteranordnung 146 abgetastet, um festzustellen, ob der innerhalb des Kühlkreislaufes vorhandene Druck negativ ist oder nicht. Wenn der Druck so weit abgesunken ist, daß er um einen vorbestimmten Wert unterhalb des Atmosphärendruckes liegt, geht das Programm zum Arbeitsschritt 1303. Wenn jedoch der Druck oberhalb der unteren zulässigen Grenze liegt, wird beim Arbeitsschritt 1306 ein Befehl ausgegeben, das Ventil III (142) zu schließen, um zu verhindern, daß zuviel Kühlmittel aus dem System verdrängt und ein Kühlmittelmangel hervorgerufen wird.

Beim Schritt 1307 wird die geeignete Temperatur für das Kühlmittel ermittelt, auf der es im Hinblick auf die gerade eingestellte Betriebsbedingungen gehalten werden soll. Diese Solltemperatur kann durch Verwendung der Eingangssignale von den Sensoren 152 und 154 und durch Abfragen einer Tabelle, die beispielsweise auf dem Lastbereichdiagramm gemäß Fig. 1 basiert, ermittelt werden, oder unter Verwendung eines vorgegebenen Rechenprogramms errechnet werden. Die verschiedenen Möglichkeiten, mit denen der gerade erwähnte Sollwert ermittelt werden kann, sind für den Durchschnittsprogrammierer im Hinblick auf die in Fig. 1 zur Verfügung stehenden Daten offensichtlich und werden daher nicht näher erläutert.

Bei den Arbeitsschritten 1308, 1309 und 1310 wird der Bereich für die Temperatur des Kühlmittels abgefragt, und wenn die vorliegende Kühlmitteltemperatur oberhalb des Solltemperatur um einen Wert α 1 (mit α 1 = 0,5°C) liegt, wird der Ventilator 148 eingeschaltet. Wenn die Temperatur jedoch um die gleiche Größe unterhalb des Sollwertes liegt, wird der Ventilator angehalten.

Beim Arbeitsschritt 1311 wird der Ausgang des Kühlmittelpegelsensors 120 abgetastet, und wenn der Kühlmittelpegel im Kühlmantel 106 oberhalb des Wertes H1 liegt, kehrt das Programm zum Arbeitsschritt 1302 zurück, damit mehr überschüssiges Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf im Behälter 124 verdrängt wird. Wenn jedoch der Kühlmittelpegel bei H1 liegt, wird der Betrieb des Ventilators 148 abgeschaltet (Arbeitsschritt 1312), und das Programm geht zum Arbeitsschritt 1313 (siehe Fig. 9B), bei dem es feststellt, ob das Ventil III geöffnet ist oder nicht. Wenn dieses Ventil III nicht geöffnet ist, dann überspringt das Programm die Arbeitsschritte 1314 bis 1318 und kehrt zurück. Wenn jedoch das Ventil III noch geöffnet ist, ist es erforderlich, sicherzustellen, daß der Kühlmittelpegel im Kühlmantel 106 auf dem erwünschten Pegel H1 bleibt, und somit werden die Arbeitsschritte 1314, 1315 und 1316 durchgeführt. Beim Arbeitsschritt 1314 wird der Pegel des Kühlmittels im unteren Behälter 114 durch Ermitteln des Ausgangs des Pegelsensors 156 bestimmt. Wenn der Pegel des Kühlmittels noch oberhalb des Wertes H2 liegt, wird angenommen, daß es noch möglich ist, weiteres Kühlmittel zu verdrängen und demgemäß kehrt das Programm zum Arbeitsschritt 1314 zurück. Wenn jedoch der Pegel im unteren Behälter 114 bei H2 liegt, wird die Möglichkeit einer zu starken Kühlmittelverdrängung als möglich angesehen, und demgemäß wird beim Schritt 1318 das Ventil III (142) geschlossen, und das System bleibt in einem Zustand zur Steuerung mit dem "normalen Betriebszustandsprogramm".

Normales Betriebssteuerungsprogramm

Beim ersten Arbeitsschritt 1401 dieses Programmes wird die Solltemperatur bestimmt, auf die das Kühlmittel im Kühlmantel 106 geregelt werden soll. Diese Bestimmung wird in ähnlicher Weise wie bei der vorhergehend im Zusammenhang mit dem Schritt 1307 (siehe Fig. 9A) beschriebenen durchgeführt. Bei den Arbeitsschritten 1402, 1403, 1104 wird die vorliegende Kühlmitteltemperatur bereichmäßig gegenüber dem beim Arbeitsschritt 1401 abgeleiteten Wert eingeteilt. Wenn die Temperatur von 0,5°C oberhalb des Sollwertes liegt, wird der Kühlventilator 148 betrieben, während bei einer um das gleiche Maß unterhalb der Solltemperatur liegenden Temperatur der Betrieb des Ventilators gestoppt wird.

Beim Arbeitsschritt 1405 wird der Pegel des Kühlmittels im Kühlmantel 106 bestimmt und bei unterhalb des Wertes H1 liegendem Pegel wird das Ventil II auf den Strömungsweg A während einer vorbestimmten Zeitdauer (in diesem Fall 10 Sekunden, vgl. 1406 und 1407) eingestellt. Wenn jedoch der Pegel des Kühlmittels im Kühlmantel 106 oberhalb des Pegels H1 liegt, geht das Programm zum Arbeitsschritt 1408, bei dem das Ventil II auf den Strömungsweg B eingestellt wird. Beim Arbeitsschritt 1409 wird der Zeitgeber, der das Ventil II zum Freigeben des Strömungsweges A hält (nämlich Zeitgeber 3 - Arbeitsschritt 1406), gelöscht und beim Arbeitsschritt 1410 wird die vorliegende Kühlmitteltemperatur mit einem Wert verglichen, der gleich dem Sollwert +α 3 (mit α 3 = 1,5°C). Wenn diese Abfrage ergibt, daß die vorliegende Kühlmitteltemperatur den gerade erwähnten Wert nicht überschreitet, wird der Arbeitsschritt 1401 umgangen, der Zeitgeber 2 wird gelöscht (Arbeitsschritt 1412) und die Kühlmittelrückführpumpe 118 angehalten (Arbeitsschritt 1413). Wenn jedoch der Vergleich ergibt, daß die vorliegende Kühlmitteltemperatur oberhalb dieses Wertes liegt, wird beim Schritt 1414 der Zeitgeber 2 während einer Zeitdauer (in diesem Fall 10 Sekunden) auf Zählen gesetzt. Bis der Zeitgeber 2 den Zählvorgang beendet hat, wird das Programm veranlaßt, die Schritte 1414 bis 1417 zu durchlaufen und anschließend zum Schritt 1004 zurückzukehren (Fig. 6), um das Verdrängungs/Aufwärm-Programm wieder einzuleiten.

Nach Abschluß des Zählvorganges (10 Sekunden) ermöglicht der Zeitgeber 2, daß das Programm zum Arbeitsschritt 1418 läuft, bei dem die Kühlmittelumlaufpumpe 118 angehalten wird. Das Programm kehrt daraufhin zurück.

Unterdruck-Steuerungsprogramm

Fig. 16 zeigt die Arbeitsschritte, welche eine Steuerung darstellen, bei der aufgrund äußerer Einflüsse insbesondere die Kondensationsmenge pro Zeiteinheit im Kühler 110 diejenige überschreitet, die einfach dadurch gesteuert werden kann, daß der Betrieb des Ventilators 148 abgeschaltet wird.

Wie dargestellt, wird nach Beginn dieses Programmes die vorliegende Kühlmitteltemperatur ermittelt, indem der Ausgang des Temperaturfühlers 122 im Arbeitsschritt 1501 abgefragt wird. Wenn die Temperatur höher als 97°C ist, wird das Programm umgangen und das Programm kehrt zurück. Wenn das Ergebnis im Arbeitsschritt 1501 ergibt, daß das Kühlmittel bei einer Temperatur unterhalb von 97°C siedet, geht das Programm zum Arbeitsschritt 1502, bei dem der im Kühlkreislauf vorliegende Druck in bezug auf den vorliegenden Atmosphärendruck bestimmt wird, indem der Ausgang der auf den Druckunterschied ansprechenden Schalteranordnung 146 abgetastet wird. Wenn der Druck innerhalb des Systems über dem Atmosphärendruck liegt, werden die restlichen Arbeitsschritte des Programms, wie dargestellt, umgangen. Wenn jedoch der Druck innerhalb des Kühlkreislaufes tatsächlich unter dem Atmosphärendruck liegt, werden beim Arbeitsschritt 1503 die Ventile I, II und III, wie dargestellt, eingestellt. In diesem Zustand ist das System so eingestellt, daß Kühlmittel vom Behälter 124 in den Kühler 110 in den Füll/Entleerungsleitung 140 und den unteren Behälter 114 in einer Weise eingeleitet wird, daß gleichzeitig der Druck in Richtung auf den Atmosphärendruck ansteigt und den Oberflächenbereich des Kühlers 110 verringert, durch den latente Verdampfungswärme des kreisförmigen Kühlungsmittels an die Umgebungsatmosphäre abgegeben werden kann.

Bei den Arbeitsschritten 1504, 1505 und 1506 wird der Pegel des Kühlmittels im Kühlmantel auf einen Pegel H1 in der vorhergehend beschriebenen Weise gesteuert. Beim Schritt 1507 wird der im Kühlkreislauf vorliegende Druck erneut abgetastet und das Programm kehrt zum Arbeitsschritt 1504 zurück, wenn weiterhin ein negativer druck vorliegt. Wenn jedoch der Druck im System auf Atmosphärendruck angestiegen ist, wird beim Schritt 1508 der Pegel des Kühlmittels im unteren Behälter 1114 bestimmt und bei oberhalb des Wertes H2 liegendem Pegel kehrt das Programm zum Schritt 1504 zurück, um in weiterer Zeit überschüssiges in den Kühler 110 eingebrachtes Kühlmittel zu verdrängen. Wenn der Druck und die Temperatur im System wieder auf annehmbare Werte angestiegen sind, wird das Ventil III im Arbeitsschritt 1509 geschlossen, um das System abzudichten und es in einen geschlossenen Kreislaufzustand zu bringen.

Zusammengefaßt bedeutet dies, daß bei zu großem Abkühlungszustand des Kühlsystemes das System in einen offenen Kreislaufzustand überführt wird, damit zusätzliches Kühlmittel in das System vom Behälter 124 unter der Wirkung des Unterdruckes eingeleitet werden kann. Diese Maßnahme erhöht den Druck im System und verringert den Wärmetauscherwirkungsgrad des Kühlers 110. Dieser offene Kreislaufzustand wird aufrechterhalten, bis die Brennkraftmaschine abgestellt wird oder der zu stark kühlende Zustand beendet ist.

Abschalt-Steuerungsprogramm

Wenn der Verbrennungsmotor anhält, ist es erforderlich, das gerade durchgeführte Steuerungsprogramm zu unterbrechen und eine Steuerung vorzunehmen, die das Abkühlen des Verbrennungsmotors überwacht und geeignete Maßnahmen entsprechend dem erfaßten Zustand des Kühlsystems ergreift. Demgemäß wird die in Fig. 7 gezeigte Unterbrechung in regelmäßigen Zeiträumen durchgeführt. Beim Schritt 1701 werden die augenblicklichen Ventilator- und Ventilsteuerungsdaten aus der CPU entnommen und beim Schritt 1602 wird ein programmierter Zeitgeber 4 für die Abschaltsteuerung zurückgesetzt. Da es jedoch möglich sein kann, daß der Verbrennungsmotor nur abgestorben ist und gerade wieder angelassen wird, wird der Zustand des Zündschalters beim Schritt 1603 abgetastet. Wenn der Zündschalter noch eingeschaltet ist, wird angenommen, daß der Verbrennungsmotor nur vorübergehend angehalten ist und das Programm kehrt zum Arbeitsschritt 1701 zurück, bei dem die Ventilator- und Ventilsteuerungsdaten dem RAM entnommen werden und in die Mikroprozessor-CPU wieder eingebracht werden.

Ergibt die Zündschalterabfrage jedoch, daß der Schalter ausgeschaltet ist (dies zeigt an, daß der Verbrennungsmotor beabsichtigt angehalten worden ist), geht das Programm zum Arbeitsschritt 1605, bei dem die augenblickliche Kühlmitteltemperatur ermittelt wird. Wenn die Temperatur unter 75°C liegt, ist es möglich, den Kühlkreislauf in einen offenen Kreislaufzustand zu überführen, indem das Ventil III (durch Enterregung) geöffnet wird, ohne daß die Schwierigkeit auftritt, daß unter Atmosphärendruck eine heftige Abgabe übermäßiger Kühlmittelmengen auftritt und das Programm geht unmittelbar zum Arbeitsschritt 1614, bei der Strom zum Steuerschaltkreis und den mit diesem verbundenen Elementen abgeschaltet wird.

Wenn jedoch die Temperatur im Kühlmittel weiterhin wesentlich höher als 75°C ist, wird es als nötig angesehen, eine Abkühlsteuerung durchzuführen, die die Sicherstellung beinhaltet, daß das Ventil III geschlossen ist und der Ventilator 148 wird intermittierend (beispielsweise jeweils 10 Sekunden) betrieben, während gleichzeitig sichergestellt wird, daß ein minimaler Kühlmittelpegel im Kühlmantel aufrechterhalten wird, um den stark erwärmten Teil des Verbrennungsmotors sicher unterzutauchen. Es ist ersichtlich, daß das Programm zum Schritt 1614 geht und den Betrieb des Steuersystems beendet, wenn entweder

• a) der Druck im System kleiner ist als der Atmosphärendruck oder
• b) die Temperatur darin auf 75°C fällt.

Claims (4)

1. Verdampfungskühlsystem für Verbrennungsmotoren mit einem Kondensator (110), der über Leitungen (112, 116) mit dem Kühlmantel (106) verbunden ist und mit einer Prozeßsteuerung (150), deren Eingangsparameter von einem Drehzahlsensor (152), einem Drosselklappensensor (154) sowie einem Kühlmitteltemperatursensor (122) im Kühlmantel (106) zugeführt werden, und die die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmantel (106) durch Steuerung eines Kühlgebläses (148) auf einen motorlastabhängig vorbestimmten Wert hält, sowie mit einem Schmiermittelwärmetauscher (200), der über eine Leitung (228) mit dem Kühlmantel (106) so verbunden ist, daß seine Wärmetauschflächen unterhalb des Pegels liegen, auf dem das Kühlmittel im Kühlmantel (106) gehalten wird.

2. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher folgende Teile umfaßt: einen oberen Behälter (224), einen ersten unteren Behälter (226A), einen zweiten unteren Behälter (226B), eine Mehrzahl von Rohren (222), die den oberen Behälter (224) und den ersten unteren Behälter (226A) verbinden, sowie weitere Rohre (222), die den oberen Behälter (224) und den zweiten unteren Behälter (226B) verbinden, wobei der erste untere Behälter (226A) mit dem Schmiersystem derart verbunden ist, daß er von diesem Schmiermittel aufnimmt, und der zweite untere Behälter (226B) mit dem Schmiersystem derart verbunden ist, daß er von dem ersten unteren Behälter (226A) ihm zugeführtes Schmiermittel zurückführt.

3. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (210, 212) des Schmiermittelwärmetauschers (200) so angeordnet ist, daß sein oberer Teil oberhalb des Pegels liegt, auf dem das Kühlmittel im Kühlmantel (106) gehalten wird und so, daß die Wärmetauschflächen unterhalb dieses Pegels liegen.

4. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (210, 212) in seinem oberen Bereich mit einem Dampfrohr (230) in Verbindung steht, das über eine Verbindungsleitung (232) mit dem Kühlmantel (106) verbunden ist.