DE3805131A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von An­ spruch 1.

Verbrennungsmotoren sind bislang stets luftgekühlt oder wassergekühlt, heut­ zutage vorwiegend wassergekühlt.

Bei der Luftkühlung wird die während der Verbrennung an den Zylinderkopf und den Zylinderblock des Motorblocks übertragene Wärme durch Anblasen dieser Teile mit kühler Luft abgeführt. Dabei wärmt sich die Luft entsprechend auf. Die Oberfläche der zu kühlenden Motorteile wird durch Rippen vergrößert. Ein luftgekühlter Verbrennungsmotor erreicht seine Betriebstemperatur rela­ tiv schnell, diese Temperatur ist aber größer als die Betriebstemperatur von wassergekühlten Verbrennungsmotoren und auch die Kühlung ist ungleich­ mäßiger als bei Wasser.

Bei einem wassergekühlten Verbrennungsmotor sind der Zylinderkopf und der Zylinderblock doppelwandig ausgeführt, wobei in den vorhandenen Zwischen­ räumen ein Wasser/Frostschutz-Gemisch als Kühlmittel von unten nach oben strömt. Das aufgeheizte Kühlmittel verläßt den Motorblock an der höchsten Stelle und durchströmt einen Luftkühler, in dem das Kühlmittel von oben nach unten durch eine große Zahl parallel zueinander angeordneter Strömungs­ kanäle strömt. Das im Kühler abgekühlte Kühlmittel wird an der tiefsten Stelle dem Motorblock wieder zugeführt und auf das im Motorblock befindliche System von Kühlmittelleitungen und -räumen verteilt. Damit ein kalter Ver­ brennungsmotor schnell seine Betriebstemperatur erreicht, ist das System von Kühlmittelleitungen und -räumen in einem inneren Kreis unter Einschluß einer Wasserpumpe schließbar, in der dann eine lediglich geringe Kühlmittel­ menge so lange zirkuliert, bis die Betriebstemperatur des Motorblocks er­ reicht ist und ein Thermostatschalter den großen Kreislauf zum Kühler hin öffnet. Ungeachtet dessen dauert es wegen der relativ großen Kühlmittelmenge mit einer entsprechend großen Wärmekapazität bei einem wassergekühlten Ver­ brennungsmotor relativ lange bis die Betriebstemperatur erreicht ist. In dieser Phase ist der Verschleiß des Verbrennungsmotors erheblich und im Ab­ gas finden sich bis zum Erreichen der Betriebstemperatur überproportional hohe Anteile von Schadstoffen. Im übrigen ist der konstruktive Aufwand für die Wasserführung mit Pumpe, Thermostat, Schlauchleitungen, Kühlerblock usw. nicht unerheblich. Schließlich ist bei dem üblichen Kühlmittel eines Wasser/ Frostschutz-Gemisches das Erreichen von Temperaturen über 100°C mit ganz erheblichem zusätzlichen Aufwand verbunden, da dann das Kühlsystem druckfest ausgeführt werden muß. Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors über 100°C, die an sich für den Wirkungsgrad zweckmäßig wären, lassen sich also mit wassergekühlten Verbrennungsmotoren kaum erreichen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einem grundsätzlich andersartig konzipierten Kühlsystem anzugeben, das eine schnelle Erwärmung des Motorblocks und einen hohen Wirkungsgrad des Verbren­ nungsmotors insgesamt ermöglicht.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Verbrennungsmotor mit den Merk­ malen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird also das Kühlsystem eines Verbrennungsmotors nach dem Wärmerohrprinzip aufgebaut. Ein Wärmerohr ist ein mit einer kleinen Menge flüssigen Kühlmittels, beispielsweise Wassers oder eines Kältemittels, gefülltes und im übrigen teilevakuiertes, hermetisch dichtes System, in dem das flüssige Kühlmittel an dem der Wärmequelle zu­ gewandten Ende verdampft, zu dem der Wärmesenke zugewandten Ende als Dampf aufsteigt, an dem der Wärmesenke zugewandten Ende kondensiert und als Kon­ densat, also flüssig wieder zum der Wärmequelle zugewandten Ende zurückläuft. Der Wirkungsgrad dieses Wärmetransportsystems ist extrem hoch, da der Wärme­ entzug an dem der Wärmequelle zugewandten Ende des Wärmerohrs durch Zustands­ wechsel des Kühlmittels erfolgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist darauf zu achten, daß das nach Art eines Wärmerohrs konzipierte Kühlsystem von der Wärmequelle zu der Wärmesenke hin ansteigend geführt ist und daß das rücklaufende Kondensat möglichst gleichmäßig in dem System von Kühlmittelleitungen und -räumen ver­ teilt wird, um eine gleichmäßige Kühlleistung zu gewährleisten.

Wegen der geringen Menge von Kühlmittel erreicht ein erfindungsgemäß gekühlter Verbrennungsmotor sehr schnell seine Betriebstemperatur, insgesamt ist eine höhere Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors möglich, was einen ver­ besserten Wirkungsgrad zur Folge hat, der Schadstoffausstoß wird geringer und der gesamte konstruktive Aufwand ist geringer, insbesondere da eine Kühlmittelpumpe nicht erforderlich ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors sind in den dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüchen be­ schrieben. Im übrigen wird hier für besonders bevorzugte Gestaltungen des Wärmerohrsystems auch auf die eingetragenen Unterlagen des DE-GM 87 09 826 verwiesen. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von Details, die bei der Kon­ struktion eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors realisiert werden können. Im übrigen werden bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen auch noch bei der nachfolgenden Erläuterung eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Verbrennungs­ motor mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt zunächst einen Motorblock 1 mit einem darin ausgebildeten Zylinder 2, einem in dem Zylinder 2 laufenden Kolben 3, der über ein Pleuel 4 an eine Kurbelwelle 5 angelenkt ist und einer Ölwanne 6.

Der Motorblock 1 unterteilt sich in Zylinderblock 7 und Zylinderkopf 8. Zu dem Verbrennungsmotor gehört auch ein eine Wärmesenke darstellender Kühler 9, ein im Motorblock 1 ausgebildetes bzw. angeordnetes System von Kühlmittel­ leitungen und -räumen 10 und mehrere das System von Kühlmittelleitungen und -räumen 10 mit dem Kühler 9 verbindende Transportleitungen 11.

Erfindungsgemäß gilt nun, daß der Kühler 9 oberhalb des Systems von Kühl­ mittelleitungen und -räumen 10 angeordnet und die Kühlmittelleitungen und -räume 10 sowie die Transportleitungen 11 vom tiefsten Punkt des Systems zum Kühler 9 hin ansteigend geführt sind und daß der Kühler 9, das System von Kühlmittelleitungen und -räumen 10 und die Transportleitungen 11 als hermetisch dichtes Wärmerohrsystem 12 ausgeführt, nämlich mit nur einer ge­ ringen Menge flüssigen Kühlmittels, insbesondere Wassers, gefüllt und im übrigen teilevakuiert sind.

Der im Ausführungsbeispiel dargestellte Verbrennungsmotor zeichnet sich nun dadurch aus, daß dem Motorblock 1, ggf. jedem Zylinderbereich im Motorblock 1, mehrere getrennte Wärmerohrsysteme 12 zugeordnet sind, insbesondere je ein seitliches Wärmerohrsystem 12 und ein drittes, mittleres Wärmerohrsystem 12. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden seitlichen Wärme­ rohrsysteme 12 den Wandungen des Zylinderblocks 7 zugeordnet, während das mittlere Wärmerohrsystem 12 dem Zylinderkopf 8 zugeordnet ist. Bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor könnten mehrere Wärmerohrsysteme 12 auch je Zylinderbereich vorgesehen sein, wobei die Kühler 9 der mehreren Wärme­ rohrsysteme 12 durchaus in einem einzigen gemeinsamen Kühlerblock zusammen­ gefaßt sein könnten. Ein solcher Kühlerblock könnte als Luftkühler ausge­ führt sein.

Die einzige Figur zeigt insoweit ein bevorzugtes System, als das System von Kühlmittelleitungen und -räumen 10 im Motorblock 1 einen unteren einheit­ lichen Teil des Wärmerohrsystems 12 und die Transportleitungen 11 einen lediglich eine Dampfströmung nach oben erlaubenden Vorlaufkanal und einen dazu im wesentlichen parallelen, lediglich eine Flüssigkeitsströmung nach unten erlaubenden Rücklaufkanal bilden und der Kühler 9 einen den Vorlauf­ kanal und den Rücklaufkanal verbindenden Zweig des Wärmerohrsystems 12 um­ faßt. In der einzigen Figur ist der Vorlaufkanal der breitere, also einen größeren Durchmesser aufweisende Kanal, wohingegen der Rücklaufkanal der schmalere, einen geringeren Durchmesser aufweisende Kanal ist. Der den Vor­ laufkanal und den Rücklaufkanal verbindende Zweig des Wärmerohrsystems 12 ist vom höchsten Punkt des Vorlaufkanals zum Rücklaufkanal hin abfallend geführt. Im übrigen gilt, daß der Strömungsquerschnitt des Rücklaufkanals gegenüber dem Strömungsquerschnitt des Vorlaufkanals im hier dargestellten Ausführungsbeispiel besonders klein ist.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Aufteilung in Vorlaufkanal und Rücklaufkanal erst im oberen Bereich, insbesondere ausgangs des Motorblocks 1.

Auch ein Wärmerohrsystem 12 läßt sich in seiner Wärmetransportleistung steuern, und zwar dadurch, daß man als Dampf in den Kühler 9 gelangtes Kühlmittel nach Kondensation dort zurückhält. Damit wird dann der Zustands­ änderungskreislauf praktisch unterbrochen. Dazu geht eine weitere Lehre der Erfindung dahin, daß die Dampf-/Flüssigkeitsströmung im Wärmerohrsystem 12 mittels eines Steuerorgans 13, insbesondere eines im Rücklaufkanal ange­ ordneten Steuerorgans 13, steuerbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Steuer­ organ 13 dem Kühler 9 relativ nahe angeordnet, als Ventil, insbesondere als Stellventil ausgeführt und mit einer elektrischen bzw. elektromagne­ tischen oder elektronischen Steuereinrichtung verbunden. Gesteuert von einem Thermostaten kann das Steuerorgan 13 dann mittels der Steuereinrichtung ge­ öffnet oder geschlossen werden. Durch impulsartiges Öffnen oder Schließen läßt sich eine relativ feinfühlige Temperatursteuerung oder Temperaturrege­ lung erzielen.

Sofern der Kühler 9 selbst nicht entsprechend ausgestaltet ist, empfiehlt es sich, daß oberhalb des Steuerorgans 13 ein Sammelraum 14 für flüssiges Kühlmittel ausgebildet ist. In diesem Sammelraum 14 kann sich das flüssige Kühlmittel oberhalb des Steuerorgans 13 problemlos sammeln.

Schließlich kann es sich empfehlen, einem Kühler 9 mehrere Rücklaufkanäle zuzuordnen, wie das beim mittleren Wärmerohrsystem 12 in der einzigen Figur gezeigt ist. Damit wird ein vergleichmäßigter Kondensatrücklauf in das System von Kühlmittelleitungen und -räumen 10 erreicht.

Ganz generell gilt, daß es zweckmäßig ist, wenn in dem System von Kühlmittel­ leitungen und -räumen die Verteilung des flüssigen Kühlmittels erleichternde Elemente, insbesondere Kapillarelemente, vorgesehen sind. Damit läßt sich das flüssige Kühlmittel gezielt an besonders problematische Punkte des Motor­ blocks bringen.

Im übrigen wird für weitere Anregungen und Hinweise nochmals auf das DE-GM 87 09 826 verwiesen.

Claims (8)

1. Verbrennungsmotor mit einem eine Wärmequelle darstellenden Motorblock (1), einem eine Wärmesenke darstellenden Kühler (9), einem im Motorblock (1) aus­ gebildeten bzw. angeordneten System von Kühlmittelleitungen und -räumen (10) und mindestens zwei das System von Kühlmittelleitungen und -räumen (10) mit dem Kühler (9) verbindenden Transportleitungen (11), dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kühler (9) oberhalb des Systems von Kühl­ mittelleitungen und -räumen (10) angeordnet und die Kühlmittelleitungen und -räume (10) sowie die Transportleitungen (11) vom tiefsten Punkt des Systems zum Kühler (9) hin ansteigend geführt sind und daß der Kühler (9), das System von Kühlmittelleitungen und -räumen (10) und die Transportleitungen (11) als hermetisch dichtes Wärmerohrsystem (12) ausgeführt, nämlich mit nur einer geringen Menge flüssigen Kühlmittels, insbesondere Wassers, gefüllt und im übrigen teilevakuiert sind.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor­ block (1), ggf. jedem Zylinderbereich im Motorblock (1), mehrere getrennte Wärmerohrsysteme (12) zugeordnet sind, insbesondere je ein seitliches Wärme­ rohrsystem (12) und ein drittes, mittleres Wärmerohrsystem (12).

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System von Kühlmittelleitungen und -räumen (10) im Motorblock (1) einen unteren einheitlichen Teil des Wärmerohrsystems (12) und die Transportlei­ tungen (11) einen lediglich eine Dampfströmung nach oben erlaubenden Vor­ laufkanal und einen dazu im wesentlichen parallelen, lediglich eine Flüssig­ keitsströmung nach unten erlaubenden Rücklaufkanal bilden und der Kühler (9) einen den Vorlaufkanal und den Rücklaufkanal verbindenden Zweig des Wärme­ rohrsystems (12) umfaßt.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ teilung in Vorlaufkanal und Rücklaufkanal ausgangs des Motorblocks (1) vor­ liegt.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampf-/Flüssigkeitsströmung im Wärmerohrsystem (12) mittels eines Steuerorgans (13), insbesondere eines im Rücklaufkanal angeordneten Steuer­ organs (13), steuerbar ist.

6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Steuerorgans (13) ein Sammelraum (14) für flüssiges Kühlmittel ausge­ bildet ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einem Kühler (9) mehrere Rücklaufkanäle zugeordnet sind.

8. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem System von Kühlmittelleitungen und -räumen die Verteilung des flüssigen Kühlmittels erleichternde Elemente, insbesondere Kapillarelemente, vorgesehen sind.