DE3712122A1 - Kuehlsystem fuer kraftfahrzeugmotoren oder dergleichen und verfahren zur kuehlung derselben - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Ver­ dampfungs-Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine, in dem flüssiges Kühlmittel siedet und der Kühlmitteldampf als Transportmittel zur Abführung von Wärme von der Brenn­ kraftmaschine verwendet wird. Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung ein Kühlsystem, das die Gesamtmenge flüssigen Kühlmittels, die für alle Betriebsarten ein­ schließlich des Außerbetriebseins der Brennkraftmaschine vermindert und bei dem gleichzeitig ein Rosten von Be­ standteilen des Kühlsystems, die der Oxydation durch atmos­ phärischen Sauerstoff unterworfen sind, im wesentlichen vermieden ist. Die Erfindung btrifft ferner ein Verfahren zur Kühlung im Zusammenhang mit einem derartigenKühl­ system.

In gegenwärtig verwendeten, wassergekühlten Brennkraft­ maschinen wird das Kühlwasser durch eine Wasserpumpe in einem Kühlkreislauf umgewälzt, der einen Motorkühlmantel und einen luftgekühlten Kühler aufweist. Diese Systeme sind mit dem Nachteil verbunden, daß ein verhältnismäßig großes Wasservolumen erforderlich ist und zwischem dem Kühler und dem Kühlmittelmantel umgewälzt werden muß, um die erforderliche Wärmemenge von der Brennkraftmaschine abzuführen.

Infolge der großen Wassermenge, die im Rahmen dieses Syste­ mes verwendet werden muß, sind die Aufwärmeigenschaften des Motors äußerst ungünstig und die Aufwärmung unterliegt einer nachteiligen Verzögerung. Wenn zum Beispiel die Tem­ peraturdifferenz zwischen den Einlaß- und den Auslaßöff­ nungen des Kühlmittelmantels 4 Grad beträgt, wird unter diesen Bedingungen durch 1 kg Wasser eine Wärmemenge von 4 Kcal wirksam vom Motor entfernt. Entsprechend ist im Falle eines Motors mit einem Hubraum von 1800 ccm, der vollständig gedrosselt betrieben wird, ein Kühlsystem er­ forderlich, das ungefähr 4000 Kcal/h Wärmemenge abführen kann. Um diese Leistung zu erreichen, ist eine Strömungs­ menge von ca. 167 Liter/min erforderlich, die durch die Wasserpumpe umgewälzt werden muß. Dies beansprucht in nachteiliger Weise einen beträchtlichen Teil der Motor­ leistung, der dem Fahrzeugantrieb verloren geht. Außerdem trägt das beträchtliche Gewicht des Kühlmittels in nach­ teiliger Weise zum Gesamtgewicht des Fahrzeuges bei.

Die Japanische Patentanmeldung 57-57 608 zeigt eine Anord­ nung, mit der versucht wurde, ein flüssiges Kühlmittel zu verdampfen und die Gasphase des Kühlmittels als Trans­ portmittel zur Abführung von Wärme vom Motor zu verwenden. In diesem System sind der Kühler und der Kühlmittelmantel in ständiger freier Verbindung über Leitungen, wodurch das Kühlmittel, das im Kühler kondensiert zu dem Kühlmittel­ mantel nach und nach unter dem Einfluß der Schwerkraft zurückgeführt wird. Während in dieser Anordnung eine lei­ stungsverbrauchende Kühlmittelumwälzpumpe, die die vorer­ wähnte Anordnung belastet, vermieden ist, treten jedoch in Abhängigkeit von der Lage des Kühlers im Verhältnis zum Motor Nachteile insofern auf, als eine Tendenz dahin­ gehend besteht, daß der Kühler zumindest teilweise mit flüssigem Kühlmittel gefüllt ist. Dies vermindert stark die Oberfläche, über die das gasförmige Kühlmittel (z.B. Wasserdampf) seine latente Verdampfungswärme wirksam ab­ geben kann und entsprechend kondensieren kann, so daß keine wirksame Verbesserung der Kühleffektivität mit diesem System erreicht wurde. Außerdem ist in diesem System ein gasdurchlässiger Wasserabscheidefilter angeordnet, um den Eintritt oder Austritt von Luft zu bzw. aus dem System zu ermöglichen, um innerhalb dieses System den Druck in dem Kühlmittelmantel und im Radiator auf Atmosphärendruck zu halten.

Dieser Filter gestattet es jedoch dem gasförmigen Kühl­ mittel leicht aus dem System zu entweichen und bringt damit die Notwendigkeit mit sich, häufig Kühlmittel in das System nachzuführen, um das Kühlmittelniveau darin zu hal­ ten. Ein weiteres Problem dieser Anordnung liegt darin, daß die beim Abkühlen des Motors in das Kühlsystem ange­ saugte Luft dazu neigt, in dem Kühlwasser in Lösung zu gehen, wobei während des Startens des Motors die gelöste Luft wieder dazu neigt, sich aus dem Kühlwasser zu lösen und kleine Gasblasen im Kühler zu bilden, die an den inne­ ren Kühlerwänden anhaften und eine isolierende Schicht bilden. Die ungelöste Luft neigt auch dazu, sich im oberen Abschnitt des Kühlers zu sammeln und die konvektionsartige Zirkulation des Dampfes vom Zylinderblock zum Kühler zu behindern. Dies verschlechtert selbstverständlich die Kühl­ leistung des Systems weiter.

Wenn der Motor bzw. die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist, neigt die Luft, die in das System über den luftdurch­ lässigen Filter eindringen kann, dazu, eine äußerst schnelle Korrosion infolge des Zutritts des Luftsauerstoffes herbei­ zuführen, insbesondere in den oberen Abschnitten des Kühlers, die nicht in das flüssige Kühlmittel eingetaucht sind. D.h., da das System nicht vollständig mit Kühlmittel gefüllt ist, wie dies bei Umwälzkühlsystemen der Fall ist, kann auch die Beigabe von Antikorrosionsmitteln zum Kühlmittel eine schnelle Beeinträchtigung der vom Luftsauerstoff beeinflußten Ab­ schnitte des Kühlers und dergleichen nicht verhindern.

Eine weitere Kühlanordnung ist in der EP-A 00 59 423, ver­ öffentlicht 8. September 1982, gezeigt, in der das flüssige Kühlmittel im Kühlmittelmantel des Motors nicht zwangsweise umgewälzt wird, sondern Wärme bis zum Sieden aufnimmt. Das auf diese Weise erzeugte gasförmige Kühlmittel wird in einem Kompressor adiabatisch verdichtet, um dessen Tempe­ ratur und Druck anzuheben und anschließend in einen Wärme­ austauscher (Kühler) eingeführt. Nach seiner Kondensation wird das Kühlmittel zeitweilig in einem Reservoir gespei­ chert und über ein Strömungssteuerventil in den Kühlmittel­ mantel zurückgeführt.

Diese Anordnung weist den Nachteil auf, daß dann, wenn der Motor gestoppt wurde und abkühlt, der Kühlmitteldampf kondensiert und Unterdruckbedingungen herbeiführt, die dazu neigen, das Luft angesaugt wird und in das System eindringt. Diese Luft hat dann die Neigung durch den Kom­ pressor zusammen mit dem gasförmigen Kühlmittel in den Radiator hineingeströmt zu werden.

Infolge der Differenz im spezifischen Gewicht neigt die vorerwähnte Luft dazu, nach oben in die heißen Kühler- und Leitungsteile aufzusteigen, während das kondensierte Kühlmittel sich nach unten bewegt. Infolge dieser Tendenz nach oben zu steigen, neigt die Luft dazu, Lufttaschen zu bilden, die eine Art Embolieerscheinung im Kühler erzeugen und dessen Wärmetauschkapazität nachteilig beeinflussen.

Fig. 1 zeigt ein Verdampfungs-Kühlsystem, wie es aus der US-PS 43 67 699, veröffentlicht 11. Januar 1983 (Evans) beschrieben ist. Diese Anordnung beinhaltet einen Trenn­ behälter 6, in dem gasförmiges und flüssiges Kühlmittel anfänglich getrennt sind. Das flüssige Kühlmittel wird unter dem Einfluß der Schwerkraft zurück zum Zylinderblock 7 geführt, während das verhältnismäßig trockene gasförmige Kühlmittel (z.B. Wasserdampf) in einem lüftergekühlten Kühler 8 kondensiert wird. Die Temperatur im Kühler wird durch wahlweise Anregung des Lüfterrades 9 so gesteuert, daß sie sich auf einem bestimmten, konstanten Niveau be­ findet, bei dem eine Kondensationsrate im Kühler aufrecht­ erhalten wird, die ausreichend ist, um am Boden der Ein­ richtung eine Flüssigkeitsdichtung aufrechtzuerhalten. Das Kondensat, das aus dem Kühler über die vorerwähnte Flüssigkeitsdichtung abgeführt wird, wird in einer kleinen, reservoirartigen Behälteranordnung 10 gesammelt und über eine kleine beständig angeregte Pumpe 11 nach oben in den Trennbehälter 6 zurückgeführt.

Obwohl diese Anordnung eine Einrichtung schafft, bei der Luft anfänglich in bestimmtem Maße aus dem System ausge­ spült werden kann, neigt infolge der Art der Anordnung, die es gestattet, daß die anfänglich vorliegenden nicht­ kondensierbaren Bestandteile aus dem System herausgedrängt werden, dazu, an einem rapiden Verlust an Kühlmittel zu leiden, wenn das System in verhältnismäßig großer Höhe betrieben wird. Wenn der Motor abkühlt, kann Luft ver­ hältnismäßig frei wieder zurück in das System eintreten. Die Anordnung des sperrigen Trennbehälters 6 macht die Motorauslegung ebenfalls schwierig, erhöht das Gewicht des Systems und führt zu dem zusätzlichen Problem, daß das Kühlmittelniveau im Kühlmittelmantel nicht bei allen Betriebsarten der Motorbetätigung sicher beibehalten werden kann.

Wenn der Motor gestoppt oder stillgelegt wird, wobei das Kühlmittel vollständig aus dem Kühler abfließt und dieser mit Luft gefüllt wird und das Niveau des Kühlmittels im Trennbehälter 6 abgesenkt wird, ist das Innere des Kühlers, des Trennbehälters und der Leitungen etc. einer schnellen Korrosion infolge des Zutrittes des Luftsauerstoffes aus­ gesetzt. Diese Korrosion neigt dazu, die Lebensdauer des Systems schnell zu verkürzen und erfordert einen schwierigen und teuren Austausch von Teilen in bestimmten Zeitabständen. Die Beigabe von Antikorrosionsmitteln zum Kühlmittel vermag dieses Problem nicht zu lösen.

Die Japanische Patentanmeldung 56-32 026 zeigt eine Anord­ nung, in der ein Aufbau, der den Zylinderkopf und die Zylinder selbst bildet mit einer porösen Lage keramischen Materials abgedeckt ist, und wobei Kühlmittel auf den Zylinderblock von duschenartigen Anordnungen, die sich oberhalb der Zylinderköpfe befinden, gesprüht wird. Das Innere des Kühlmittelmantels, der innerhalb des Motors gebildet ist, ist im wesentlichen mit gasförmigem Kühl­ mittel während des Motorbetriebes gefüllt, während dem zugleich flüssiges Kühlmittel auf die Keramiklagen gesprüht wird.

Obwohl diese Kühlanordnung nur sehr wenig flüssiges Kühl­ mittel benötigt, hat sich diese Anordnung als völlig un­ befriedigend darin erwiesen, daß bei einem Sieden des flüssigen Kühlmittels, das in den Keramiklagen absorbiert ist, der auf diese Weise erzeugte Dampf, der zu dem Kühl­ mittelmantel und in diesen hinein entweicht, die Tränkung des Keramikmaterials mit frischem flüssigen Kühlmittel verhindert und eine Situation herbeiführt, in der eine schnelle Überhitzung und thermische Beschädigung der Kera­ miklagen und/oder des Motors herbeiführt. Außerdem ist diese Anordnung ebenfalls von der Art eines geschlossenen Kreislaufes mit dem Nachteil der Verunreinigung durch Luft sowie dem bereits erläuterten Problem der Luftblockierung im Kühler, ähnlich wie dies bereits oben für die Anordnung erläutert wurde, die mit einem Kompressor ausgerüstet ist.

Fig. 2 zeigt ein Kühlsystem, das in der US-PS 17 37 562 gezeigt ist, veröffentlicht 6. Januar 1931 (Barlow). In dieser Anordnung wird der Kühlmitteldampf, der in dem Kühler 16 kondensiert wird, zuerst in dem unteren Behäl­ ter 17 des Radiators 16 gesammelt und anschließend zu einem größeren Behälter 18 überführt. Das gesammelte Kühl­ mittel wird dem Kühlmittelmantel 20 über eine Pumpe 22 wieder zugeführt, die durch einen schwimmerartigen Flüs­ sigkeitsniveausensor gesteuert wird, angeordnet im oberen Abschnitt der Pumpe.

Die Pumpe 22 kommuniziert mit dem Kühlmittelmantel 20 über eine Leitung 24, die mit einem U-Knie 25 versehen ist. Dieses Knie begrenzt die Kühlmittelmenge, die durch die Leitung 24 zum Reservoir 18 zurückfließen kann. Das Innere des Kühlers 16 und der Behälter 18 sind beide über eine Leitung 26 und eine Entlüftungsöffnung 27 zur Atmos­ phäre hin entlüftet, wobei diese Entlüftungsanordnung 27 den oberen Bereich des Behälters 18 mit dem unteren Be­ hälter 17 des Kühlers 16 verbindet.

Entsprechend leidet diese Anordnung ebenfalls an dem Pro­ blem, daß dann, wenn der Motor nicht in Betrieb ist, das Innere des Kühlers 16 und der obere Abschnitt des Motor­ kühlmittelmantels 20 ständig dem Luftsauerstoff ausgesetzt sind und daher dem Auftreten von Rosterscheinungen und dergleichen Beeinträchtigungen ausgesetzt sind. Ein wei­ terer Nachteil, der bei dieser Einrichtung auftritt, be­ steht darin, daß das Kühllüfterrad 28 ständig durch den Motor angetrieben wird und nicht in Abhängigkeit von der Wärmemenge, die tatsächlich durch den Motor produziert wird, gesteuert ist, so daß dieses Kühllüfterrad einen unverhältnismäßigen und unnötigen Energieverbrauch bildet.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, die in der US-PS 45 49 505 gezeigt ist, veröffentlicht 29. Oktober 1985 (Hirano). Durch ausdrückliche Bezugnahme wird der Inhalt dieser Veröffentlichung mit zum Gegenstand der vorliegenden An­ meldung gemacht und bildet einen Bestandteil dieser Be­ schreibung. Zur Erleichterung werden in Fig. 3 die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in dem vorerwähnten US-Patent.

Mit dieser Anordnung werden viele der bisher erläuterten Nachteile des Standes der Technik überwunden, und zwar durch vollständige Füllung des Inneren des Kühlmittelmantels, des Kühlers und der dazugehörigen Leitungsverbindungen, die einen geschlossenen Kühlkreislauf bilden, mit flüssigem Kühlmittel wenn der Motor nicht in Gebrauch ist. Außerdem werden Schritte durchgeführt, die jedwede Luft, die im Laufe der Zeit und während der verschiedenen Betriebsarten, bei den der Druck im Kühlkreislauf unter den Atmosphären­ druck abfällt, eingedrungen ist, ausspülen. Die Anordnung ist jedoch ihrerseits insofern nachteilig, als sie eine verhältnismäßig große Menge flüssigen Kühlmittels und ein entsprechend großes Reservoir benötigt. Dies führt zu einer nachteiligen Erhöhung des Gewichtes des Kühlsystems. Das System verwendet auch nicht weniger als 4 Elektromagnet­ ventile, um die erforderliche Kühlmittelsteuerung zu er­ reichen. Während dies die Variation der Temperatur, bei dem das Kühlmittel siedet, in bezug auf die momentane Motordrehzahl und -belastung zuläßt, erhöht diese Anord­ nung doch beträchtlich die Komplexität des Kühlsystems und dessen Kosten.

Außerdem ist im Falle, daß eines der Ventile nicht funk­ tioniert, die Arbeitsfähigkeit des gesamten Systems ge­ fährdet und kann mit beträchtlicher Wahrscheinlichkeit zu einer Beschädigung des Motors oder zu einer zeitweili­ gen Betriebsstörung desselben führen.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verdampfungs-Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, das nur eine minimale Kühlmittelmenge erfor­ dert, um die Wärmeaustauschkapazität der Brennkraftmaschine zu steuern und eine Korrosion von Teilen des Kühlsystems zu vermeiden, die derartigen Erscheinungen während einer Betriebsruhe der Brennkraftmaschine bevorzugt ausgesetzt sind.

Kurz gesagt wird das vorerwähnte Ziel durch ein Verdam­ pfungs-Kühlsystem erreicht, bei dem ein Reservoir vorge­ sehen ist, das nur soviel Kühlmittel enthält, das aus­ reicht, um den Kühler zu füllen, wenn die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist. Die verbleibenden Abschnitte des Kühl­ kreislaufes, wie z.B. der obere Abschnitt des Kühlmittel­ mantels, die außerordentlich korrosionsfest sind, sind während dieser Nicht-Betriebsperioden mit Luft gefüllt. Die Luft wird während der Aufwärmung der Brennkraftmaschine und während des Betriebes derselben in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittelmantel und dem Boden des Kühlers ausgespült.

Im einzelnen umfaßt die vorliegende Erfindung ein Kühl­ system für eine Brennkraftmaschine mit einem Teil, das einem hohen Wärmefluß ausgesetzt ist, wobei das Kühlsystem aufweist: einen Kühlmittelmantel mit einem Abschnitt über dem Teil hohen Wärmeflusses, in das Kühlmittel in flüssiger Form eingefüllt ist, in dem das Kühlmittel siedet und aus dem es in gasförmiger Form abgeführt wird, einen Kühler in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelmantel, der den im Kühlmittelmantel erzeugten Kühlmitteldampf aufnimmt und diesen in flüssiges Kühlmittelkondensat kondensiert, wo­ bei der Kühler einen kleinen Sammelbehälter enthält, der am Boden des Kühlers angeordnet ist, ein Reservoir, in dem Kühlmittel gespeichert ist, wobei das Reservoir fluidver­ bunden eingesetzt ist zwischem dem Sammelbehälter des Kühlers und dem Kühlmittelmantel, wobei das Reservoir eine derartige Größe aufweist, daß es eine ausreichende Kühl­ mittelflüssigkeitsmenge enthalten kann, um den Kühler voll­ ständig zu füllen, jedoch nicht ausreichend groß um sowohl den Kühler als auch den Kühlmittelmantel zu füllen. Das Kühlsystem enthält ferner eine Einrichtung zur Rückführung von Kondensat aus dem Kühler zum Kühlmittelmantel derart, daß das Kühlflüssigkeitsniveau im Kühlmittelmantel auf einem bestimmten Niveau gehalten wird, weiterhin einen ersten Temperatursensor, der im Kühler angeordnet ist, einen zweiten Temperatursensor, der im Kühlmittelmantel angeordnet ist, eine Vorrichtung, die dem Kühler zugeordnet ist und die in Abhängigkeit von einem Signal zumindest eines der beiden Temperatursensoren arbeitet, um die Kondensations­ rate des Kühlmitteldampfes im Kühler zu variieren, und ein Ventil, das in Abhängigkeit von den Signalen des ersten und zweiten Temperatursensors arbeitet, das wahlweise die Ver­ bindung zwischen dem Inneren des Reservoirs und der Umge­ bungsatmoshphäre oder zwischen dem Reservoir und dem Kühler steuert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung be­ inhaltet diese ein Verfahren zur Kühlung einer Brennkraft­ maschine gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Einführung von Kühlflüssigkeit in einen Kühlmittelmantel, Sieden des Kühlmittels und Abführung des Kühlmitteldampfes, Kondensation des Kühlmitteldampfes, der aus dem Kühlmittel­ mantel entnommen wurde, in einem Kühler um ein Kondensat zu bilden, Speicherung einer begrenzten Menge flüssigen Kühlmittels in einem Reservoir, wobei die begrenzte Kühl­ mittelmenge ausreicht, um den Kühler zu füllen, jedoch unzureichend ist, um sowohl den Kühler als auch den Kühl­ mittelmantel zu füllen, Herstellung einer Fluidverbindung zwischen dem Reservoir und einem unteren Abschnitt des Kühlers, Rückführung des Kondensates aus dem Kühler zu dem Reservoir in einer Weise, die einen hocherwärmten Teil des Motors in eine bestimmte Tiefe flüssigen Kühlmittels eingetaucht hält, Erfassen der Temperatur des Kondensates, das im Kühler gebildet wurde, Erfassung der Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelmantel, Steuerung einer Vorrich­ tung, die dem Kühler zugeordnet ist, in einer Weise, die die Kondensationsrate des Kühlmitteldampfes im Kühler vari­ iert, und wahlweise Steuerung der Verbindung des Reservoirs mit der Umgebungsatmosphäre und dem Kühler in Abhängig­ keit von den Ergebnissen der Erfassung der Kondensattempe­ ratur und der Kühlmitteltemperatur.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Während die Fig. 1 bis 3 drei der eingangs erläuterten bekannten Kühlsysteme zeigen, erfolgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung anhand der Fig. 4 bis 7. In diesen zeigen:

Fig. 4 und 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Fig. 6 und 7 Flußdiagramme, in denen diejenigen Ver­ fahrensschritte, die die Arbeitsweise des Ausführungsbei­ spieles der vorliegenden Erfindung bezeichnend sind, her­ ausgegriffen sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein Motorsystem, dem ein Kühl­ system nach der vorliegenden Erfindung in einem Ausführungs­ beispiel derselben zugeordnet ist. In dieser Anordnung ent­ hält eine Brennkraftmaschine 300 einen Zylinderblock 304, auf dem ein Zylinderkopf 306 lösbar befestigt ist. Der Zylinderkopf 306 und der Zylinderblock 304 sind mit geeig­ neten Hohlräumen versehen, die einen Kühlmittelmantel 308 ringsum und oberhalb des Teiles des Motors bilden, der einem hohen Wärmefluß ausgesetzt ist, (d.h. den Abgasventil­ leitungen der Verbrennungskammern, den Zylinderwänden etc.).

In Fluidverbindung mit einer Dampfaustrittsöffnung 310, die im Zylinderkopf 306 vorgesehen ist, ist ein Kondensor oder Kühler 316 über eine Dampfleitung 312 und eine Dampf­ leitung 314 verbunden. Nahe bei dem Kühler 316 ist ein wahlweise anregbares, elektrisch angetriebenes Lüfterrad 318 angeordnet, das vorgesehen ist, um einen Kühlluft­ strom über die Wärmeaustauschflächen des Kühlers 316 zu führen, wenn das Lüfterrad 318 angetrieben wird.

Um den Vorteil der natürlichen Luftströmung voll auszu­ nutzen, die auftritt, wenn ein Fahrzeug fährt, und um damit die Notwendigkeit des Betriebes des Lüfterrades 318 zu minimieren, ist der Kühler 316 vorzugsweise an einer gut belüfteten Stelle des Fahrzeuges angeordnet, wie z.B. nahe dem vorderen Ende des Fahrzeuges.

In diesem Ausführungsbeispiel hat der Kühler 316 die Form eines oberen und eines unteren Tanks 319, 320, die die Breite (oder Höhe) der Vorrichtung bestimmen und einer Vielzahl sich vertikal erstreckender Röhren 321, die die beiden Tanks 319 und 320 verbinden und einen verhältnis­ mäßig kleinen Querschnitt haben. In diesem Fall ist der untere Tank 320 so ausgebildet, daß er ein größeres Innen­ volumen als der obere Tank 319 aufweist und somit als ein kleiner Sammelbehälter wirksam ist.

Ein kleines Kühlmittelreservoir 322 ist angeordnet, um ständig mit dem unteren Tank 320 über eine Zuführungs-/ Abführungsleitung 324 zu kommunizieren. In diesem Aus­ führungsbeispiel ist das Reservoir 322 nahe dem unteren Tank 320 angeordnet und so ausgebildet, daß es wahlweise durch ein (zweites) Elektromagnetventil 326 mit der Um­ gebungsatmosphäre verbindbar ist. Zur Vereinfachung ist das Ventil 326 an einem Deckel (kein Bezugszeichen) mon­ tiert, der wahlweise von dem Reservoir 322 entfernt werden kann. Im Rahmen dieser Erfindung kann das Ventil 326 auch ständig am Reservoir 322 vorgesehen und der Deckel als ein vom Ventil unabhängiges Teil vorgesehen sein.

Das Reservoir 322 ist in seiner Größe so bemessen, daß es gerade ein wenig mehr Kühlmittel aufnehmen kann als er­ forderlich ist, um den Kühler 316 vollständig zu füllen. Dies führt zu einem minimalen Gewicht für das überschüssige Kühlmittel, das mit dem System mitgeführt werden muß für die Stillegung desselben und/oder für Temperatursteuerungs­ zwecke und vermindert somit das Gewicht des Gesamtsystems im Vergleich mit den herkömmlichen, oben erläuterten An­ ordnungen.

Eine elektrisch angetriebene Pumpe 328 von kleiner Kapa­ zität ist in einer Kühlmittelrückführleitung 329 angeordnet, die von dem Reservoir 322 zu einer Einlaßöffnung 331, aus­ gebildet am Boden des im Zylinderblock 304 ausgebildeten Abschnittes des Kühlmittelmantels 308 führt. Ein Rückschlag­ ventil 333 ist in einer Leitung 330 zwischen der Einlaß­ öffnung 331 und der Pumpe 328 angeordnet, um zu verhindern, daß Kühlmittel in Richtung des Reservoirs 322 zurückströmt.

Die Kapazität der Pumpe 328 wird so ausgelegt, daß sie eine Kühlmittelmenge zurückpumpt, die geringfügig größer ist als das maximale Erfordernis im Rahmen des Kühlsystems. Diese Menge kann näherungsweise unter Verwendung von Parametern wie z.B. der im Motor verbrannten Kraftstoffmenge pro Zeit­ einheit bestimmt und durch empirische Ergebnisse bestätigt werden. Es ist wichtig, daß die Pumpgeschwindigkeit bzw. die Pumpmenge der Pumpe 328 etwas höher ist als die jeweils maximal erforderliche Kühlmittelrückführung, so daß während des Betriebes der Brennkraftmaschine bzw. des Motors das gewünschte Kühlmittelniveau im Kühlmittelmantel unter allen Betriebsbedingungen gesichert aufrechterhalten bleibt.

Im Falle das die Pumpe 328 von einer Art ist, die eine Kühlmittelströmung durch die Pumpe unterbricht, wenn sie nicht angeregt ist, kann das Rückschlagventil 333 wegge­ lassen werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß, da die Pumpe 328 aus dem Reservoir 322 ansaugt und nicht direkt vom unteren Tank 320, ein Vorteil derart auftritt, daß ein Hohlsaugen infolge thermischer Sättigung des Systems tendenziell vermieden wird. D.h. zum Beispiel daß, wenn der Motor für längere Zeit unter hohen Drehzahl-/Last-Bedingungen betrieben wird, daß Kon­ densat am Boden des Kühlers 316 und die benachbarten System­ teile dazu neigen, sich in ihrer Temperatur dem Siedepunkt des Kühlmittels zu nähern, wodurch das Kühlmittel während des Ansaugens in die Pumpe 328 dazu neigt zu sieden und einen Dampfverschluß der Pumpe herbeizuführen.

Wenn das Kondesat vom Kühler 316 zuerst zum Reservoir 322 geführt wird, wird das Gesamtvolumen an flüssigem Kühl­ mittel stromauf der Pumpe 328 erhöht, so daß sich auch der Zeitraum verlängert, der zur Verfügung steht, in dem die Temperatur des Kühlmittels wieder auf einen Punkt fallen kann, bei dem das Phänomen des Hohlsaugens sicher vermieden ist.

Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die vorliegende Er­ findung nicht auf eine derartige, besondere Verbindung be­ grenzt ist, und das, wenn gewünscht, ein System verwendet werden kann, in dem das Reservoir 322 ständig auf Atmos­ phärendruck gehalten ist, die Pumpe 328 mit dem unteren Tank 320 kommuniziert und ein Ventil zwischen dem Reser­ voir 322 und dem unteren Tank 320 vorgesehen ist, in einer Weise, ähnlich der Anordnung, die in Fig. 3 gezeigt ist.

Um die Pumpe 328 zu steuern, ist ein Niveausensor 330 im Kühlmittelmantel 308 angeordnet und vorgesehen, um ein Signal zu geben, wenn das Kühlmittelniveau dazu neigt, unterhalb des vorgegebenen Niveaus H abzufallen. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Niveau H so gewählt, daß der­ jenige Teil des Motors, der einem hohen Wärmefluß unter­ worfen ist (d.h. der Zylinderkopf, die Abgasöffnungen und Ventile etc.) ständig in einer bestimmten Tiefe in flüssi­ ges Kühlmittel eingetaucht bleibt, die sicherstellt, daß auch unter Hochlastbedingungen wenn ein stürmisches Sieden des Kühlmittels auftritt und dazu neigt örtlich Austrock­ nungen, Hohlräume und heiße Stellen herbeizuführen, die besonders wärmebelasteten Motorteile beständig in flüssi­ ges Kühlmittel eingetaucht gehalten sind. Das Phänomen des stürmischen Siedens des flüssigen Kühlmittels mit der Nei­ gung zur Bildung örtlicher Hohlräume in der Flüssigkeits­ säule ist für die Gefahr einer lokalen Überhitzung ver­ antwortlich, die zu ernsthaften Motorbeschädigungen führen kann.

Das Kühlflüssigkeitsniveau H wird außerdem so ausgewählt, daß in dem Kühlmittelmantel 308 oberhalb des Kühlflüssig­ keitsspiegels ein Kühlmitteldampfsammelraum gebildet wird, in dem sich der erzeugte Dampf sammeln kann und ohne größe­ ren Widerstand in Richtung der Dampfauslaßöffnung oder -öffnungen 310 zur Dampfleitung 312 strömen kann.

Der Niveausensor 330 kann die Form eines Schwimmers in Ver­ bindung mit einem Reed-Schalter aufweisen. Es wird als vor­ teilhaft angesehen, den Niveausensor 330 so auszulegen, daß er ein Signal abgibt, wenn das Kühlmittelniveau oberhalb des Niveaus H ist. Hierdurch wird gesichert, daß, wenn der Sensor 330 ausfällt, die Pumpe 328 ständig angeregt wird und sichert, daß eher ein Überschuß an Kühlmittel zu dem Kühlmitelmantel 308 zurückgeführt wird als das dort ein Kühlmittelmangel auftritt.

Eine Heizanordnung für eine Fahrgastkabine weist einen Heizkern 322, eine Ansaugleitung 334, eine Ablaufleitung 336 und eine Umwälzpumpe 338 auf, die in der Ablaufleitung 336 angeordnet ist. Die Ansaugleitung 334 ist so angeordnet, daß sie mit einem Abschnitt des Kühlmittelmantels 308, der im Zylinderblock 304 ausgebildet ist, kommuniziert, während die Abgabeleitung 336 mit einem Abschnitt des Kühlmittel­ mantels 308, der im Zylinderkopf 306 ausgebildet ist, ver­ bunden ist. Die Abgabeleitung 336 ist vorgesehen, um Kühl­ mittel, das durch den Heizkern 332 hindurchgeführt worden ist, in den Kühlmittelmantel 308 auf einem Niveau abzugeben, das niedriger ist als das vorerwähnte Kühlflüssigkeits­ niveau H.

Die Arbeitsweise der Umwälzpumpe 338 wird in Abhängigkeit von einem nicht gezeigten, manuell betätigbaren Schalter gesteuert.

Es wird darauf hingewiesen, daß es möglich ist, die Anord­ nung von Ansaug- und Abgabeleitung 334 bzw. 336 zu vertau­ schen und die Ansaugleitung 334 so anzuordnen, daß sie mit dem Kühlmittelmantel 308 auf einem Niveau oberhalb des Kühlflüssigkeitsniveaus H kommuniziert und somit eine Zir­ kulation von Kühlmitteldampf durch den Heizkern 332 er­ möglicht, um den Vorteil der im Kühlmitteldampf enthaltenen größeren Wärmemenge (latente Verdampfungswärme) auszunutzen.

Eine Mischleitung 340 ist vorgesehen, um den Heizkreislauf für den Fahrgastraum an einem Punkt stromab der Umwälz­ pumpe 338 mit der Ausgabeöffnung 310 und der Kühlmittel­ dampfleitung 312 zu verbinden. Wenn die Heizungsumwälzpumpe 338 angeregt wird, wird ein Teil des Kühlmittels, der nor­ malerweise direkt zum Kühlmittelmantel 308 zurückgeführt würde, veranlaßt, durch die Mischleitung 340 zuströmen, in das Dampfrohr 312 und die Kühlmitteldampfübertragungslei­ tung 314 einzutreten und in den Kühler 316 zu fließen. So­ mit wird während eines Betriebes des Motors bzw. der Brenn­ kraftmaschine 300 bei einem Wetter, das kalt genug ist, um die Notwendigkeit einer Beheizung des Fahrgastraumes her­ aufzuführen, flüssiges Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel 308 in begrenzten Mengen zum Kühler 316 zirkuliert. Dies vermeidet die Neigung einer Konzentration der Frostschutz­ und Antikorrosions-Zusätze sich infolge einer destilativen Natur des Kühlsystems im Kühlmittelmantel 308 abzulagern und vermeidet eine Situation, in der Kühlmittel im Kühler 316 und anderen Teilen des Systems, die in größerem Maße der Gefahr des Einfrierens in kalter Umgebung ausgesetzt sind, nicht hinreichend mit Frostschutzmittel und dergleichen versorgt sind.

Wenn gewünscht kann die Dampfsammelleitung 312 auch mit einer Flüssigkeits-/Dampf-Abscheideranordnung (nicht ge­ zeigt) an einer Stelle stromab der Dampfabgabeöffnung 310 und stromauf des Punktes, an dem die Mischleitung 340 mündet, versehen sein.

Wenn es als notwendig angesehen wird, kann diese Vorrich­ tung Prallwände oder dergleichen aufweisen, um die Trenn­ wirkung zu verbessern und/oder kann Anordnungen beinhalten, wie sie in der US-PS 44 99 866 (Hirano), veröffentlicht 19. Februar 1985, US-PS 45 70 579 (Hirano), veröffentlicht 18. Februar 1986 oder in der US-Patentanmeldung USSN 757.537, eingereicht 3. Juli 1985 (Hayashi et al) sowie der anhängi­ gen US-Patentanmeldung USSN 8 66 259, eingereicht 23.Mai 1986 (Shimonosono) dargelegt sind. Der Inhalt dieser Patente und Patentanmeldungen wird hiermit durch Bezugnahme mit als zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gehörig erklärt. Diese Unterlagen zeigen Anordnungen, die flüssiges Kühl­ mittel von Kühlmitteldampf trennen, in dem ein Kühlmittel­ dampf/Kühlmittelflüssigkeits-Gemisch aus dem Kühlmittel­ mantel einer Anzahl von Richtungsänderungen und/oder einer Art zentrifugaler Aufspaltung unterworfen wird.

Die Anordnung von Flüssigkeits-/Dampf-Trenneinrichtungen dieser Art vermindert den Anteil flüssigen Kühlmittels, der unkontrolliert durch die Dampfübertragungsleitung 314 strömt und seinen Weg in den Kühler 316 findet. Während Betriebsbe­ dingungen des Motors mit hoher Drehzahl bzw. hoher Belastung, wird eine verhältnismäßig große Kraftstoffmenge zu den Ver­ brennungsräumen des Motors geführt und verbrannt. Dies er­ zeugt eine große Wärmemenge, die ihrerseits zu einem extrem stürmischen Sieden des Kühlmittels im Bereich des Zylinder­ kopfes des Motors führt. Dieses schlagartige und schäumende Sieden des Kühlmittels, daß das stürmische Sieden des Kühl­ mittels begleitet neigt dazu, eine verhältnismäßig große Menge flüssiges Kühlmittel mit in die Dampfsammelleitung 312 zu führen. Das flüssige Kühlmittel, wenn es in den oberen Tank 319 des Kühlers 316 eintritt, neigt dazu, eine Be­ netzung herbeizuführen und somit das Innere der Röhren 321 bis zu dem Punkt zu isolieren, an dem das Gebiet der "trocke­ nen" Oberfläche des Kühlers 316 beginnt, die für den Kühl­ mitteldampf zur Verfügung steht, um seine latente Verdam­ pfungswärme abzugeben, so daß diese Wärmeübergangsfläche die dem Kühlmitteldampf zur Verfügung steht verringert wird und die Wärmetauschkapazität des Kühlers 316 nachteilig be­ einflußt wird. Dies impliziert die Möglichkeit einer Über­ hitzung der Brennkraftmaschine infolge der Unmöglichkeit ausreichend große Wärmemengen vom Motor abzuführen.

Im Hinblick auf das oben Gesagte ist die Mischleitung 340 so gestaltet und mit dem Heizkreislauf verbunden, daß die maximale Kühlflüssigkeitsmenge, die in die Dampfsammel­ leitung 312 und die Kühlmitteldampfübertragungsleitung 314 über die Mischleitung 340 zugeführt wird auf ein Volumen begrenzt ist, das die Wärmetauschkapazität des Kühlers 316 nicht nachteilig beeinflußt, aber gleichzeitig sichert, daß die Konzentration von Frostschutz- und Antikorrosionszu­ sätzen, die dem Motorkühlmittel beigemengt sind, sich nicht in nachteiliger Weise im Kühlmittelmantel 308 konzentrieren.

Ein erster Temperatursensor 342 ist im unteren Tank 320 an­ geordnet und so ausgelegt, daß er die Temperatur T _C des Kühlmittels, das in diesem gesammelt wird, anzeigt.

Ein zweiter Temperatursensor 344 ist im Kühlmittelmantel 308 nahe dem oberen Ende der am stärksten wärmebelasteten Teile des Motors angeordnet, so daß dieser Sensor in das flüssige Kühlmittel eingetaucht ist. Das Eintauchen des Sensors 344 in flüssiges Kühlmittel stabilisiert dessen Ausgangssignal und sichert eine fehlerfreie Erfassung der Motortemperatur (T _E ) sogar dann, wenn das Kühlmittel siedet und ein stür­ misches, schlagartiges Sieden erfolgt. Für den Fall, daß die Kühlflüssigkeit auf ein gefährlich niedriges Niveau absinkt, wird durch diese Positionierung des Sensors 344 erreicht, daß das Ausgangssignal des Sensors 344 plötz­ lich ansteigt, und zwar dadurch, daß dieser einer direkten Wärmestrahlung ausgesetzt ist, so daß er auch dazu verwendet werden kann, eine Fehlfunktion des Kühlsystems anzuzeigen.

In der Mischleitung 340 ist ein normalerweise offenes Elektromagnetventil 346 angeordnet und so ausgelegt, daß es geschlossen ist und die Fluidverbindung zwischen dem Heizkreislauf und dem Dampfsammelrohr 312 unterbricht, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelmantel, die durch den Temperatursensor 344 erfaßt wird, einen Wert unterhalb eines bestimmten Niveaus ergibt. In diesem Aus­ führungsbeispiel beträgt dieses Niveau 85°C.

Die Ausgangssignale der Temperatursensoren 342 und 344 werden zu einem Steuerschaltkreis 348 geführt, der einen Mikroprozessor enthält. Wie gezeigt, enthält dieser Steuer­ schaltkreis eine Zentralprozessoreinheit (CPU), einen Direkt­ zugriffsspeicher (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und eine Eingabe/Ausgabeeinheit (E/A). Der Festwertspeicher ROM des Mikroprozessors enthält Steuerprogramme, die die Ein­ gangssignale der zwei Temperatursensoren 342 und 344 in einer Weise verarbeiten, die nachfolgend noch genauer be­ schrieben wird und die Steuerbefehle erzeugt, über die das Lüfterrad 318, die Kühlmittelrückführpumpe 328 und die Elektromagnetventile 326 und 346 angemessen angesteuert werden.

Vor anfänglicher Betriebsaufnahme wird der Kühlmittelmantel 308 über eine Füllöffnung, ausgebildet in der Dampfsammel­ leitung 312 mit einer ausreichenden Menge Kühlflüssigkeit gefüllt, um das Kühlflüssigkeitsniveau auf das Niveau "H" zu bringen und ein Deckel 350 wird zum hermetischen Abschluß der Einfüllöffnung angebracht. Eine bestimmte Menge flüssi­ gen Kühlmittels, die ausreicht, um den Kühler 316 im wesent­ lichen zu füllen, wird in das Reservoir 322 eingeführt und dieses mit einem Deckel verschlossen. Da in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel die Verbindung zwischen dem Reservoir 322 und dem unteren Tank 320 nicht absperrbar ist, nimmt das Kühlmittel in diesem System im wesentlichen diejenigen Niveaus ein, die in Fig. 4 dargestellt sind. Das Kühl­ mittel enthält zugemessene Mengen eines geeigneten Frost­ schutz- sowie Korrosionsschutzmittels.

Wenn die Brennkraftmaschine bzw. der Motor 300 gestartet wird, wenn das Kühlflüssigkeitsniveau auf dem Niveau H ist, wird die Kühlmittelrückführpumpe 328 nicht angeregt und das im Kühlmittelmantel 308 befindliche Kühlmittel erreicht schnell den Siedepunkt zur Erzeugung von Kühlmitteldampf. Es wird darauf hingewiesen, daß die Aufwärmcharakteristik nach diesem Ausführungsbeispiel steiler verläuft bzw. das Aufwärmen schneller vonstatten geht, als dies bei der An­ ordnung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 der Fall ist, da die Kühlmittelmenge im Kühlmittelmantel unter Kalt­ startbedingungen geringer ist als diejenige in der bekannten Ausführungsform, und zwar um das Volumen, das sich im Kühl­ mittelmantel oberhalb des Kühlmittelniveaus H befindet.

Wenn die Menge erzeugten Kühlmitteldampfes ansteigt wird die im Kühlmittelmantel 308 befindliche Luft, die kälter und dichter als der Kühlmitteldampf ist, in Richtung des Kühlers 316 und in diesen hineingedrängt und schließlich veranlaßt durch das Kühlmittel hindurch im Reservoir 322 in Blasen aufzusteigen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil 326 offengehalten, um ein schnelles Ausspülen der nicht­ kondensierbaren Bestandteile aus dem Kühlsystem zu erreichen.

Wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittelmantel 308 und dem unteren Tank 320 auf einen bestimmten Wert ab­ fällt, wird das Ventil 326 so gesteuert, daß es in geschlos­ senem Zustand annimmt und dadurch das Kühlsystem zu einem System mit geschlossenem Kreislauf macht.

Der vorerläuterte Füllvorgang mit dem Abschluß des Systems wird noch deutlicher von der nachfolgenden Beschreibung der Flußdiagramme bzw. Programmabläufe, die in den Fig. 6 und 7 gezeigt sind.

Der erste Schritt 1001 des Programmes, das in Fig. 6 ge­ zeigt ist, besteht darin, daß Ausgangssignal des Temperatur­ sensors 344 T _E zu bewerten und es mit einem bestimmten Wert zu vergleichen. Im Falle, daß die Temperatur unterhalb des ausgewählten Minimalwertes von 84°C ist, wird ein Befehl gegeben, das Ventil 346 (Ventil I) zu schließen. Dies sichert, daß während sehr kaltem Wetter oder dergleichen selbst dann, wenn die Heizumwälzpumpe 342 durch die Fahrgäste des Fahr­ zeuges in Betrieb genommen ist, Kühlmittel nicht durch die Mischleitung 340 in Richtung des Kühlers 316 zirkuliert wird und dadurch Wärme zu einem Zeitpunkt abgibt, wenn es ge­ wünscht wird, daß die Temperatur des Kühlmittels im Kühl­ mittelmantel 308 so rapide wie möglich ansteigt. Dies sichert in vorteilhafter Weise, daß die gesamte Wärme, die während dieses Aufwärmbetriebes abgeführt werden muß, zur Heizung des Fahrgastraumes verwendet wird.

Wenn festgestellt wird, daß die Temperatur des Kühlmittels sich im Bereich von 84 bis 85°C bewegt, geht das Programm zum Schritt 1004 über und überspringt den Schritt 1003 so­ lange bis die Temperatur des Kühlmittels 85°C übersteigt.

Im Schritt 1004 wird das Ausgangssignal des Niveausensors 330 bewertet und im Falle, daß ausreichend Kühlmittel ver­ dampft wurde, um das Kühlmittelniveau auf ein Niveau unter­ halb des Niveaus H abzusenken, wird anschließend im Schritt 1005 die Pumpe angetrieben. Wenn andererseits festgestellt wird, daß das Kühlflüssigkeitsniveau ausreichend ist, geht der Programmablauf über den Schritt 1006 zum Schritt 1007 über. Im Schritt 1007 wird die Kühltemperatur T _E im Kühl­ mittelmantel mit dem Wert von 85°C verglichen. Solange wie das Kühlmittel benötigt, um diesen Wert zu überschreiten, werden die Schritte 1009 bis 1014 übersprungen und das Programm geht zum Schritt 1015 weiter, in dem ein Befehl zum Stoppen der Betätigung des Kühllüfterrades 318 aus­ gegeben wird.

Nach der Aufwärmung des Systems bis zu dem Punkt, in dem das Ausgangssignal des Temperatursensors 334 anzeigt, daß die Temperatur T _E oberhalb 85°C ist, wird die Temperatur­ differenz zwischen dem Kühlmittelmantel 308 und der Tempe­ ratur im unteren Tank T _C im Schritt 1008 verglichen. Im Falle daß die Temperatudifferenz beispielsweise größer als 15°C ist, wird angenommen, daß entweder die Motortemperatur im Ansteigen begriffen ist oder andererseits die Umgebungs­ bedingungen noch zur Abführung der Wärme vom Kühler 316 ausreichend sind, so daß nicht erforderlich ist, daß Kühl­ lüfterrad 318 in Betrieb zu nehmen.

Wenn festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz in einem Bereich von 5-10°C liegt, wird angenommen, daß das Niveau an flüssigem Kühlmittel im Kühler ausreichend abgesunken ist und die Flüssigkeits/Dampf-Grenzfläche sich dem Niveau des unteren Tankes 320 nähert und im Schritt 1013 wird ein Befehl zur Inbetriebnahme des Lüfterrades 318 ausgegeben.

Wenn festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz 5°C oder weniger ist, wird angenommen, daß das Flüssigkeits­ niveau im Kühler 316 und im unteren Tank 320 seinen minimal zulässigen Wert angenommen hat und im Schritt 1009 wird der Zustand eines Setzzeichens festgestellt. Wenn festgestellt wird, daß das Setzzeichen den Wert "O" besitzt, wird es im Schritt 1010 auf den Wert "1" gesetzt. Wenn andererseits das Setzzeichen bereits früher auf den Wert "1" gesetzt worden ist, geht das Programm direkt zum Schritt 1013 über. Nachfolgend dem Setzen des Zeichens auf "1" wird im Schritt 1011 ein Befehl zum Schließen des Ventiles II (d.h. des Ventiles 326) ausgegeben, um das Kühlsystem in einen her­ metisch abgedichteten Zustand eines geschlossenen Kreis­ laufes zu versetzen. Im Schritt 1012 wird das Ausgangssignal des Temperatursensors 344 eingelesen und der Wert im Direkt­ zugriffsspeicher (RAM) als Wert T _EO gespeichert.

Im Schritt 1016 wird der gegenwärtige Zustand des Setz­ zeichens festgestellt. Im Falle daß es auf "1" gesetzt worden ist, wird im Schritt 1017 die momentane Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelmantel T _E bewertet und (a) mit dem laufend gespeicherten Wert von T _EO und (b) mit einem vorgegebenen, maximal zulässigen Wert von 120°C verglichen.

Wenn der Wert von T _E innerhalb der Grenzen T _EO -3°C < T _E < 120°C bleibt, springt das Programm zum Schritt 1001 zurück, während im Falle das die Motortemperatur T _E sich außerhalb dieses Bereiches bewegt, d.h. T _E < T _EO -3°C oder T _E < 120°C ist, werden die Schritte 1018, 1019 und 1020 abgearbeitet. In diesen Schritten wird das Setzzeichen auf "O" zurückgesetzt, das Ventil 326 geöffnet und der Momentan­ wert von T _EO aus dem Direktzugriffsspeicher RAM gelöscht. Dies gestattet sowohl eine Uberhitzung als auch eine zu starke Kühlung des Motors zu vermieden. D.h. auf diese Weise wird eine Steuerung der Situation möglich, in der Druck und Temperatur innerhalb des Kühlsystems übermäßig angestiegen sind (möglicherweise infolge der Anwesenheit von Restluft im Kühler) und gestattet den Überdruck in einer Weise zu entlasten, die dazu führt, daß nicht-kondensierbare Bestandteile aus dem Kühlsystem über eine zeitweilige Öff­ nung des Ventils 326 nach außen ausgespült werden. Anderer­ seits ermöglicht dies die Steuerung einer Situation, in der zeitweilig eine übermäßige Kühlung des Kühlers 316 den Innen­ druck im System abgesenkt hat und gestattet daß Kühlflüssig­ keit aus dem Reservoir 322 in eine Weise nachgesaugt wird, die sowohl Druck als auch Temperatur des Kühlmittels er­ höht und die verfügbare trockene Wärmeaustauschfläche des Kühlers angemessen einstellt.

Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, das die charakteristischen Schritte eines Unterbrechungsprogrammes aufgreift, das in regelmäßigen Zeitabständen während des Ablaufs des Steuerungsprogramms für das Kühlsystem gemäß Fig. 6 ab­ läuft. Der Zweck dieses Programmes besteht darin, festzu­ stellen, wenn der Motor gestoppt worden ist und eine Not­ wendigkeit eine Abschalt- bzw. Stillegungssteuerung für den Kühlkreislauf durchzuführen. D.h. wie in Schritt 2001 dieses Programmes gezeigt ist, wird der Momentanzustand des Motors durch Erfassung des Ausgangssignales eines Motorzündschalters, eines Motordrehzahlsensors oder dergleichen erfaßt. Im Falle, daß der Motor noch läuft, wird im Schritt 2002 der laufende Zielwert eines Zeitgebers gelöscht und das Programm kehrt zum Steuerprogramm gemäß Fig. 6 zurück.

Wenn andererseits der Motor gestoppt worden ist, wird im Schritt 2003 das Ausgangssignal des Temperatursensors 344 erfaßt und die momentane Motortemperatur wird mit einem singulären Wert von 90°C verglichen. Wenn festgestellt wird, daß die Temperatur unterhalb 90°C liegt, dann geht das Pro­ gramm direkt zum Schritt 2015 über, in dem ein Befehl aus­ gegeben wird, die Zuführung von Energie zu dem Gesamtsystem zu stoppen. Wenn jedoch festgestellt wird, daß die Tempera­ tur des Kühlmittels im Kühlmittelmantel 308 oberhalb 90°C ist, wird ein Befehl im Schritt 2004 ausgegeben, das Ventil II (Ventil 326) zu schließen. Dies verhindert die Möglichkeit eines Herausblasens von Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf in­ folge der Anwesenheit eines Überdruckes im Kühlsystem.

Im Schritt 2005 wird die Temperaturdifferenz (T _E -T _C ) zwischen dem Kühlmittelmantel 308 und dem unteren Tank 320 erfaßt. Für den Fall, daß die Temperaturdifferenz gleich oder größer als 20°C ist, wird angenommen, daß eine aus­ reichende Sicherheit erreicht ist, um das System zu öffnen und das Programm geht zum Schritt 2015 über.

Wenn die Temperaturdifferenz gleich oder kleiner als 10°C ist, wird angenommen, daß das Kühlsystem noch zu heiß ist, um es in den Zustand eines offenen Kreislaufs zu überführen und das weitere Wärmemengen zur Atmosphäre hin abgeführt werden müssen. Um diesen Prozeß zu beschleunigen, wird im Schritt 2006 ein Befehl ausgegeben, das Kühllüfterrad 318 anzutreiben.

Wenn andererseits festgestellt wird, daß die Temperaturdiffe­ renz sich im Bereich von 10-20°C bewegt, wird angenommen, daß der Kühler 316 teilweise mit flüssigem Kühlmittel ge­ füllt ist und in den Schritten 2007 und 2008 werden Befehle ausgegeben, um den Betrieb der Kühlmittelrückführpumpe 328 und des Kühllüfterrades 318 zu stoppen. D.h., wenn der Kühler 316 teilweise gefüllt ist, wird sogar dann, wenn das Lüfterrad 318 stark angetrieben wird, nur eine gering­ fügige Zunahme des Wärmeaustausches zwischen dem Kühler und der Umgebungsatmosphäre erreicht und daher werden zur Vermeidung eines unnötigen elektrischen Energieverbrauchs in diesem Zustand weder die Pumpe 328 noch das Lüfterrad 318 betätigt.

Nach der Anregung des Kühllüfterrades 318 im Schritt 2006 wird im Schritt 2009 das Niveau der Kühlflüssigkeit im Kühlmittelmantel (C/J) festgestellt. Wenn der Motor noch heiß ist und das Kühlmittel noch siedet oder nahe dem Sieden ist, wird die Pumpe 328 in den Schritten 2010 und 2011 wahl­ weise angeregt, um sicherzustellen, daß keine örtlichen Aus­ trocknungen oder heißen Stellen oder dergleichen im oberen Abschnitt des Kühlmittelmantels auftreten. Hierdurch wird die Möglichkeit einer thermischen Beschädigung vermieden.

Im Schritt 2012 wird die Tatsache, daß der Motor 300 tat­ sächlich außer Betrieb ist, bestätigt und im Schritt 2013 wird ein Zeitgeber in Lauf gesetzt. Während des Zeitraumes in dem der Zählwert unterhalb eines bestimmten Zählwertes (der z.B. 20 Sekunden entspricht) verbleibt, wird das Pro­ gramm zum Schritt 2003 rückgekoppelt. Nach Überschreitung des vorbestimmten Zeitwertes geht das Programm zum Schritt 2015 über, in dem die Energiezufuhr zum Kühlsystem abge­ schaltet wird.

Wenn andererseits im Schritt 2012 festgestellt wird, daß der Motor noch läuft, wird im Schritt 2014 ein Befehl aus­ gegeben, das Ventil 326 zu öffnen und das Programm wird über den Schritt 2002 zurückgesetzt.

Es ist somit deutlich, daß das Kühlsystem noch für eine maximale Zeitspanne von 20 Sekunden nach dem Abschalten des Motorbetriebes arbeitsfähig gehalten wird. Wenn inner­ halb dieses Zeitraumes entweder die Motortemperatur T _E oder die Differenz zwischen der Temperatur des Kühlmittel­ mantels und dem unteren Tank anzeigt, daß es ausreichend sicher ist, das System in den Zustand eines offenen Kreis­ laufes ohne nachteilige Folgen zu überführen, wird die Energiezufuhr zu dem Kühlsystem vor dem Ablauf der vorer­ wähnten Zeitspanne unterbrochen.

Wenn die Energiezufuhr zu dem Kühlsystem im Schritt 1015 abgeschaltet wurde, wird das Ventil 326 abgeschaltet und macht den Kühlkreislauf zu einem offenen Kühlkreislauf. Wenn der Kühlmitteldampf im Kreislauf kondensiert, veran­ laßt die resultierende Druckdifferenz, die sich zwischen dem Druck der Außenatmosphäre und dem Druck im Inneren des Kühlkreislaufes entwickelt, daß in dem Reservoir 322 ge­ speicherte Kühlmittel über die Leitung 324 in den unteren Tank 320 des Kühlers 316 zu fließen. Wenn der Kühler 316 aufgefüllt worden ist und das Kühlmittel aus dem Reservoir 322 erschöpft ist, kann Luft in den unteren Tank 320 an­ gesaugt werden. Diese Luft wandert in Blasen nach oben durch die Röhren 321 des Kühlers 316 und findet ihren Weg zum oberen Abschnitt des Kühlmittelmantels 308 solange, bis die erwähnte Druckdifferenz aufhört zu existieren. Obwohl somit selbst das Einströmen von Luft durch den Kühler 316 zu diesem Zeitpunkt gestattet wird, bleibt dieser vollständig gefüllt und vor Korrosion oder der­ gleichen geschützt.

Es wird darauf hingewiesen, daß das Konzept nach der vor­ liegenden Erfindung nicht auf das erläuterte Ausführungs­ beispiel beschränkt ist, sondern auch auf andere Verdam­ pfungskühlsysteme, wie z.B. in Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung dargestellt, falls gewünscht, angewandt werden kann.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Kühlung einer Brennkraftmaschine und ein Kühlsystem, das ein Reservoir aufweist, welches lediglich eine ausreichende Kühlmittelmenge enthält, um den Kühler aufzufüllen, wenn der Motor nicht in Betrieb ist, so daß das Systemgewicht verringert ist. Die verbleibenden Teile des Kühlkreis­ laufes, wie z.B. der obere Teil des Kühlmittelmantels, die ausreichend korrosionsbeständig sind, werden während des Stillstandes des Motors mit Luft gefüllt. Die Luft wird aus dem Kühlsystem ausgespült wenn eine Aufwärmphase des Motors erfolgt bzw. der Motor bestimmungsgemäß arbeitet, und zwar in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz, die sich zwischen dem Kühlmittelmantel und dem Boden des Radiators ergibt.

Claims (15)

1. Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Teil derselben, der einem hohen Wärmefluß ausgesetzt ist, mit einem Kühlmittelmantel, der dieses besonders wärmebelastete Teil umgibt und in dem Kühlmittel in flüssiger Form einge­ füllt ist, das zum Sieden bringbar ist und in gasförmiger Form aus dem Kühlmittelmantel abgeführt ist,
einen Kühler in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelmantel, der Kühlmitteldampf, welcher im Kühlmittelmantel erzeugt wurde, aufnimmt und diesen in seine flüssige Form konden­ siert, wobei der Kühler einen kleinen Sammelbehälter im Bodenbereich aufweist, gekennzeichnet durch
ein Reservoir (322), in dem Kühlmittel gespeichert ist, wobei das Reservoir (322) strömungsverbunden zwischem dem Sammelbehälter (320) des Kühlers (316) und dem Kühlmittel­ mantel (308) eingesetzt ist und das Reservoir (322) eine derartige Größe aufweist, daß es ausreichend flüssiges Kühlmittel enthält, um den Kühler (316) zu füllen, jedoch in seinem Volumen nicht ausreichend ist, um sowohl den Kühler (316) als auch den Kühlmittelmantel (308) mit Kühlmittel zu füllen,
eine Einrichtung (328) zur Rückführung von Kondensat aus dem Kühler (316) in den Kühlmittelmantel (308) in einer Weise, die das Niveau des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlmittelmantel (308) auf einem bestimmten Niveau (H) hält,
einen ersten Temperatursensor (342), der in dem Kühler (316) angeordnet ist,
einen zweiten Temperatursensor (344), der in dem Kühl­ mittelmantel (308) angeordnet ist,
eine Vorrichtung (318), die dem Kühler (316) zugeordnet ist, um die Kondensationsrate an Kühlmitteldampf in dem Kühler (316) zumindest in Abhängigkeit von dem Signal eines der Temperatursensoren (342, 344) zu variieren, und
ein erstes Ventil (326), das in Abhängigkeit von den Sig­ nalen des ersten und zweiten Temperatursensors (342, 344) wahlweise die Verbindung zwischen dem Inneren des Reser­ voirs (322) und der Umgebungsatmosphäre und dem Reser­ voir (322) und dem Kühler (316) steuert.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeich­ net dadurch, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Kühlmittelniveaus im Kühlmittelmantel (308) aufweist:
einen Niveausensor (330), der in dem Kühlmittelmantel (308) angeordnet ist, wobei der Niveausensor (330) ausgelegt ist, um das Absinken des Niveaus des flüssigen Kühlmittels im Kühlmittelmantel (308) unterhalb des bestimmten Niveaus (H) zu erfassen und ein entsprechendes, hierfür repräsentatives Signal auszugeben, wobei das vorbestimmte Niveau (H) so ausgewählt ist, daß der besonders wärmebelastete Teil des Verbrennungsmotors ständig in bestimmtem Maße in das flüs­ sige Kühlmittel eingetaucht gehalten ist,
eine Pumpe (328), die das flüssige Kühlmittel von dem Reservoir (322) zum Kühlmittelmantel (308) durch eine Kühlmittelrückführleitung (329) pumpt, wobei die Pumpe (328) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Niveausensors (330) betätigbar ist, derart, daß das Niveau des flüssigen Kühl­ mittels im Kühlmittelmantel (308) auf dem bestimmten Niveau (H) gehalten wird.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung zur Regulierung der Kondensationsrate im Kühler (316) ein Lüfterrad (318) ist, das in angetriebenem Zustand den Wärmeaustausch zwischen dem Kühler (316) und einem Kühlmedium, das den Kühler (316) umgibt, erhöht.

4. Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lüfterrad (318) in Abhängig­ keit von den beiden Temperatursensoren (342, 344) betätig­ bar ist und so gesteuert ist, daß es nicht angetrieben ist, wenn die Signale des ersten und zweiten Temperatursensors (342, 344) anzeigen, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittelmantel (308) und dem unteren Tank (320) geringer als ein vorbestimmter Wert ist.

5. Kühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch eine Rückschlagventileinrichtung (333) zur Verhinderung eines Kühlmittelrückflusses aus dem Kühl­ mittelmantel (308) zu dem Reservoir (322) über die Kühl­ mittelrückführleitung (329).

6. Kühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch einen Hilfskreislauf in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelmantel (308),
eine Umwälzpumpe (338), die in dem Hilfskreislauf ange­ ordnet ist und die wahlweise betätigbar ist, um Kühl­ mittel durch diesen Hilfskreislauf zu zirkulieren,
eine Mischleitung (340), die von dem Hilfskreislauf an einer Stelle stromab der Umwälzpumpe (338) abzweigt und die angeordnet ist, um ein Teil des von der Umwälzpumpe (338) geförderten Kühlmittels zum Kühler (316) zu führen, um eine im wesentlichen gleichmäßige Konzentration von nicht-flüchtigen Zusätzen im Kühlmittel, die sich im Kühl­ mittelmantel (308) und im Kühlmittel, das sich im Kühler (316) befindet, aufrechtzuerhalten.

7. Kühlsystem nach Anspruch 6, gekennzeich­ net durch ein zweites Ventil (346), das in der Misch­ leitung (340) angeordnet ist, wobei dieses Ventil (346) in Abhängigkeit von der Temperatur (T _E ) des Kühlmittels im Kühlmittelmantel (308) betätigbar ist und angeordnet ist, um geschlossen zu bleiben und eine Übertragung von Kühlmittel durch die Mischleitung (340) zu verhindern, wenn der zweite Temperatursensor (344) anzeigt, daß die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelmantel (308) unterhalb eines bestimmten Minimalwertes ist.

8. Verfahren zur Kühlung einer Brennkraftmaschine, in dem flüssiges Kühlmittel in einen Kühlmittelmantel einge­ führt wird und das Kühlmittel sieden kann und als Kühl­ mitteldampf abgeführt wird,
der Kühlmitteldampf, der aus dem Kühlmittelmantel abge­ führt wurde in einem Kühler kondensiert wird, um ein Kon­ densat zu bilden, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte,
Sammeln eines begrenzten Volumens flüssigen Kühlmittels in einem Reservoir (322), wobei dieses begrenzte Volumen ausreicht, um den Kühler (316) zu füllen, jedoch nicht ausreicht, um sowohl den Kühler (316) als auch den Kühl­ mittelmantel (308) aufzufüllen,
Einrichten einer Fluidverbindung zwischen dem Reservoir (322) und einem unteren Abschnitt (320) des Kühlers (316), Rückführen des Kondensates, das in dem Kühler (316) ge­ bildet wurde zu dem Reservoir (322) bzw. dem Kühlmittel­ mantel (308) in einer Weise, die einen besonders wärmebe­ lasteten Teil der Brennkraftmaschine (300) ständig in bestimmte Tiefe in das flüssige Kühlmittel eingetaucht hält,
Erfassen der Temperatur des Kondensates, das in dem Kühler (316) gebildet wurde,
Erfassen der Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittel­ mantel (308),
Steuerung einer Vorrichtung (318), die dem Kühler (316) in einer Weise zugeordnet ist, welche die Kondensations­ rate des Kühlmitteldampfes im Kühler variiert, und
wahlweise Steuerung einer der Verbindungen zwischen dem Inneren des Reservoirs (322) und der Umgebungsatmosphäre und der Verbindung zwischen dem Reservoir (322) und dem Kühler (316) in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Ver­ fahrensschritte der Erfassung der Kondensattemperatur und der Erfassung der Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelmantel (308).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verfahrensschritt der Rück­ führung von Kühlmittel die Schritte aufweist:
Erfassen des Niveaus des Kühlmittels im Kühlmittelmantel (308) unter Verwendung eines Niveausensors (330),
Pumpen von flüssigem Kühlmittel von dem Reservoir (322) zu dem Kühlmittelmantel (308) in Abhängigkeit davon, daß der Kühlmittelniveau-Erfassungsschritt ergibt, daß das Niveau des flüssigen Kühlmittels im Kühlmittelmantel (308) unterhalb eines bestimmten Niveaus (H) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verfahrensschritt der Steue­ rung der Kondensationsrate die Steuerung eines Lüfterrades (318) beinhaltet, das den Wärmeaustausch zwischen dem Kühler (316) und einem Kühlmedium, das den Kühler (316) umgibt, erhöht.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verfahrensschritt der Steue­ rung der Kondensationsrate umfaßt:
die Bestimmung des Wertes der Temperaturdifferenz, die zwischen der Temperatur des Kondensates (T _C), das am Boden des Kühlers (316) gesammelt wird und der Temperatur des Kühlmittels (T _E) im Kühlmittelmantel (308) existiert,
die Anregung des Lüfterrades (318) in Abhängigkeit davon, daß der Wert der Temperaturdifferenz geringer ist als ein vorbestimmter Wert.

12. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeich­ net dadurch, daß eine Rückströmung von Kühlmittel aus dem Kühlmittelmantel (308) zu dem Reservoir (322) verhin­ dert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeich­ net durch den Verfahrensschritt des Füllens des Kühlers (316) lediglich mit flüssigem Kühlmittel aus dem Reservoir (322), wenn die Brennkraftmaschine nicht arbeitet, wobei die Druckdifferenz, die sich (a) zwischen dem Kühlmittel­ mantel (308) und dem Kühler (316) und (b) zwischen dem Reservoir (322) und der Umgebungsatmosphäre ausbildet, wenn der Kühlmitteldampf in dem Kühlmittelmantel (308) und dem Kühler (316) abkühlt und in die flüssige Phase kondensiert.

14. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeich­ net durch den Verfahrensschritt der Zirkulation einer bestimmten kleinen Menge flüssigen Kühlmittels zwischen dem Kühlmittelmantel (308) und dem Kühler (316), um die Konzentration von nicht-flüchtigen Zusätzen des Kühlmittels im Kühlmittelmantel (308) zu verhindern.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Zirkulation verhindert wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittel­ mantel (308) unterhalb eines bestimmten Minimalwertes liegt.