DE3809136A1 - Einrichtung zur verdampfungskuehlung einer brennkraftmaschine und betreiben eines heizungswaermetauschers durch das kuehlmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Gegenüber der üblichen Flüssigkeits- oder Konvektionskühlung bietet das Prinzip der Verdampfungskühlung, das in Anwendung auf gattungsgemäße Einrich­ tungen aus der Patentliteratur der Klasse FO1P 3/22 in verschiedenen Ausführungen bekannt ist, den Vorteil eines erheblich größeren Wirkungsgrads, da der Wärme­ transport durch die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme bestimmt ist.

Kraftfahrzeugheizungen nutzen in großem Umfang die Abwärme der Brennkraftmaschine, und zwar auch die durch Kühlwasser transportierte, aus; das Kühlwasser durchsetzt einen oder mehrere Wärmetauscher, dem bzw. denen durch einen mittels eines Venti­ lators erzeugten Luftstrom Wärme entnommen wird. Auch für den Fall der Verdamp­ fungskühlung sind Lösungen bekannt, die Wärme des Kühlmittels zum Betrieb von Fahrzeugheizungen auszunutzen. So beschreiben die EP 01 89 881 und die DE-OS 36 03 897 nach dem Verdampfungsprinzip arbeitende Kühleinrichtungen, wobei an die Kühlmittelräume und -kanäle der Brennkraftmaschine ein einen Heizungswärme­ tauscher für den Fahrgastinnenraum sowie eine Pumpe enthaltender Heizkreislauf angeschlossen ist. Der Anschluß dieses eigentlichen Heizkreislaufs erfolgt jedoch in solcher Höhe bezüglich der Kühlkanäle oder Kühlräume, daß nur im flüssigen Zustand befindliches Kühlmittel den Wärmetauscher durchströmt, also der eigentliche Vorteil der Verfampfungskühlung, nämlich der vergrößerte Wärmetransport durch zweifache Änderung des Aggregatzustands des Kühlmittels, nicht ausgenutzt wird. Allerdings haben die beschriebenen bekannten Einrichtungen den Vorteil, daß infolge Abgriffs des flüssigen Kühlmittels gleichsam in unmittelbarer Nähe der Wärmeerzeugung, nämlich an den Brennräumen der Maschine, bereits sehr kurze Zeit nach dem Starten der Maschine Heizwärme zur Verfügung gestellt wird.

Ein weiterer Vorteil dieser bekannten Einrichtungen ist darin zu sehen, daß der Heizkreislauf nur von einer relativ kleinen Menge des Kühlmediums durchströmt wird, so daß er die Erfindung der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur nur in vertretbarem Maße verzögert. Der Hauptkondensator wird bei den beschriebenen bekannten Einrichtungen wirksam, sobald die Verdampfung des Kühlmediums in den in die Maschine eingelassenen Kühlmittelkanälen auftritt.

Die US-PS 43 67 699 beschreibt eine ebenfalls nach dem Verdampfungsprinzip arbei­ tende Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der der Heizungswärmetau­ scher so angeschlossen ist, nämlich an einen Trennbehälter für dampfförmiges und flüssiges Kühlmittel, daß der Heizungswärmetauscher nur von dampfförmigem Kühlmittel durchströmt ist; er liegt dauernd in Reihe mit dem Hauptkodensator der Kühleinrichtung. Zusätzlich weist diese bekannte Einrichtung einen besonderen "kleinen" Kühlmittelkreislauf mit einer Umwälzpumpe auf, der zur gleichmäßigen Erwärmung der Brennkraftmaschine nach ihrem Start dient. Sobald die Kühlmittel­ temperatur nahe der Siedetemperatur liegt, wird dieser Kreislauf durch Abschalten der Pumpe unterbrochen, und die eigentliche Verdampfungskühlung beginnt. Hinsicht­ lich des Betriebs des Heizungswärmetauschers besitzt diese bekannte Einrichtung also den grundsätzlichen Nachteil, daß der Heizungswärmetauscher erst relativ lange nach dem Starten der Maschine, nämlich nach Einsetzen der Verdampfungsküh­ lung, von Kühlmittel durchströmt wird. Bekanntlich besteht aber bei Kraftfahrzeugen ein grundlegendes Problem darin, die Windschutzscheibe und die Seitenscheiben unmittelbar nach dem Starten der Maschine, nämlich bei Fahrtbeginn, durch Anströmen mittels erhitzer Luft beschlagfrei zu machen und zu halten. Diesem grundsätzlichen Erfordernis kann die amerikanische Einrichtung nicht gerecht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die einerseits die Vorteile des guten Wärme­ transports infolge Zustandsänderungen des Kühlmittels auch für den Betrieb des Heizungswärmetauschers (der im Wege von Luftausströmdüsen für Fahrzeugscheiben liegen kann) ausnutzt, andererseits eine schnelle Aufheizung des Wärmetauschers nach dem Starten der Maschine sicherstellt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merk­ malen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche. Dabei lassen sich die Merkmale der Ansprüche 6 und 7, obwohl sie mit besonderem Vorteil im Rahmen der kombinierten Kühlung und Heizung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche einsetzbar sind, grundsätzlich auch dann anwenden, wenn auf eine Ausnutzung der Kühlmittelwärme zur Heizung beispielsweise eines Fahrzeuginnenraums verzichtet wird.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist - außer in ihrem einfachen Aufbau - darin zu sehen, daß infolge Abschaltung insbesondere des Hauptkondensators während der Aufwärmephase der Brennkraftmaschine ein mit dem Heizkreislauf übereinstimmender kleiner Kühlkreislauf für die Maschine geschaffen wird, so daß diese sich schnell erwärmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einschließlich mehrerer Ergänzungen bzw. Alternativmerkmale wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Figuren die Einrichtung während verschiedener Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zeigen.

Die Brennkraftmaschine 1, die im Bereich eines einen Hubkolbens 2 aufnehmenden Zylinders 3 mit kühlmittelgefüllten Kanälen oder Räumen 4 geschnitten dargestellt ist, besitzt den Kühlmitteleinlaß 5 und den Kühlmittelauslaß 6; beide stehen verständlicherweise in Strömungsverbindung mit den Kühlkanälen 4.

Wesentliche Bestandteile des Kühlkreislaufs 7 der Maschine bilden - außer den Kanälen 4 - der Hauptkondensator 8, das vom Kühlmitteldruck betätigte Ventil 9 und der Kühlmittelvorratsbehälter 10, der gegen die Atmosphäre durch ein Druck­ begrenzungsventil 11 abgeschlossen ist und demgemäß zugleich einen Ausgleichs­ behälter bildet. Dem Hauptkondensator 8 ist der elektrisch betriebene Lüfter 12 nachgeschaltet und die Jalousie 13 vorgeschaltet, die in noch zu beschreibender Weise über eine Ansteuerschaltung 14 in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels (Temperatursensor 15) im Hauptkondensator 8 und vom Lastzustand (Drosselklappenschalter 16) betätigt wird.

Der Heizkreislauf 17 erstreckt sich verständlicherweise ebenfalls über die in die Maschine 1 eingelassenen Kanäle 4 und umfaßt als wesentliche Bestandteile den auch als Nebenkondensator zu bezeichnenden Heizungswärmetauscher 18, dem das Heizungsgebläse 19 zugeordnet ist, sowie die Kühlmittelpumpe 20, die einer­ seits bei Anforderung von Heizungswärme durch den Fahrer des Fahrzeugs eingeschal­ tet wird, so daß der Heizkreislauf 17 von erwärmtem Kühlmittel durchströmt wird, und die andererseits unabhängig davon beim Erreichen einer vorgegebenen Kühlmittel­ temperatur, erfaßt durch den Temperatursensor 21, eingeschaltet wird, damit spätestens bei Temperaturen des Kühlmittels, die zur Verdampfung desselben führen, der Heizkreislauf 17 als kleiner Kühlkreislauf wirksam wird.

Betrachtet man zunächst die Verhältnisse bei kalter Brennkraftmaschine 1, so enthält der Vorratsbehälter 10 allenfalls wenig Kühlmittel, das im gesamten System in flüssiger Form vorliegt. Dagegen ist die eigentliche Kühl- und Heizein­ richtung mit flüssigem Kühlmittel gefüllt und entlüftet. Das vom Druck des Kühl­ mittels betätigbare Ventil 9 befindet sich in Sperrstellung, so daß der Hauptkon­ densator 8 vom Kühlkreislauf 7 und auch vom Heizkreislauf 17 abgetrennt ist.

Wird nach Starten der Maschine vom Fahrzeuginnenraum her Wärme angefordert, so wird dadurch die Kühlmittelpumpe 20 eingeschaltet, so daß im Heizkreislauf 17 eine Kühlmittelströmung in Fig. 1 im Uhrzeigersinne zustandekommt, also zuneh­ mend warmes Kühlmittel durch den Heizungswärmetauscher 18 transportiert wird. Es kann zweckmäßig sein, das Einschalten der Kühlmittelpumpe 20 zusätzlich vom Erreichen einer bestimmten Mindesttemperatur des Kühlmittels, die mittels des Temperatursensors 21 erfaßt sein kann, abhängig zu machen. Im Sommer, wenn keine Heizungswärme angefordert wird, wird über den Temperatursensor 21 und eine nicht dargestellte Auswerteschaltung auf jeden Fall eine Einschaltung der Kühlmittel­ pumpe 20 vorgenommen, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen höheren Wert unterhalb der Siedetemperatur desselben erreicht hat. Damit ist sichergestellt, daß unabhängig vom Heizungsbetrieb während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine 1 die Kühlmittelpumpe 20 angeworfen wird.

Verständlicherweise ist es möglich, eine geregelte oder gesteuerte Kühlmittel­ pumpe 20 vorzusehen, d. h. eine solche, deren Fördermenge in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine und/oder der verlangten Heizungswärme veränder­ bar ist.

Wird nun in der Brennkraftmaschine 1 mit zunehmender Erwärmung derselben das Kühlmittel zumindest örtlich über seinen Siedepunkt hinaus erhitzt, so entstehen Dampfblasen, die teilweise im Kühlmittel an anderer Stelle wieder kondensieren oder in den Wärmetauscher 18, der jetzt gleichsam als Nebenkondensator dient, gelangen (Fig. 2). Durch die Dampfblasenbildung wird infolge des nach wie vor geschlossenen Zustands des Druckventils 9 flüssiges Kühlmittel in den als Aus­ gleichsbehälter dienenden Vorratsbehälter 10 verdrängt, und das im Wärmetauscher 18 kondensierende dampfförmige Kühlmittel gibt seineKondensationswärme an die Heizung ab.

Mit zunehmender Verdampfung des Kühlmittels (Fig. 3) steigt der Druck im System und damit am Ort des Ventils 9 an, so daß dieses schließlich durch Öffnen den Hauptkondensator 8 in den Kühlkreislauf 7 einschaltet. Nunmehr gelangt verdampfte Kühlflüssigkeit sowohl zum Heizungswärmetauscher 18 als auch vom Kühlmittelausgang 6 der Maschine 1 her in den Hauptkondensator 8, wo es kondensiert und sich in flüssi­ ger Form im unteren Bereich desselben ansammelt.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß das Ventil 9 statt vom Kühlmitteldruck auch in Abhängigkeit vom Kühlmittelstand im Vorratsbehälter 10 oder im Wärmetauscher 18 oder aber in Abhängigkeit von der dort gemessenen Temperatur gesteuert werden kann; sobald die Temperatur im Wärmetauscher 18 einen Schwellwert kurz unter der Siedetemperatur des Kühlmittels erreicht hat, erfolgt der Anschluß des Haupt­ kondensators 8.

Die Einrichtung wird so ausgelegt, daß bei ungünstigsten Bedingungen, d. h. maximale Dampfmenge, hohe Außentemperatur und niedrige Geschwindigkeit der den Hauptkonden­ sator durchströmenden Kühlluft, der Kühlmitteldampf fast den gesamten Hauptkonden­ sator 8 füllt.

Es kann zweckmäßig sein, den Kühlmitteldruck in der Einrichtung im Hinblick auf unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu optimieren. Dabei dient die entsprechende Druckveränderung über unterschiedliche Siedetemperaturen des Kühlmittels der Einstellung unterschiedlicher Temperaturen der Brennkraftma­ schine im Bereich der Brennräume. So ist bei Teillast für den Wirkungsgrad der Maschine und günstige Abgasemissionen eine höhere Maschinentemperatur und damit eine höhere Siedetemperatur des Kühlmittels vorteilhafter als bei Vollast; in diesem Betriebsfall dient eine niedrigere Siedetemperatur (kühlere Brennraumwände) einer Drehmomenterhöhung durch größere Füllung bei gleichzeitiger Verringerung der Klopfneigung. Grundsätzlich kann man dies durch entsprechende Drehzahlsteuerung des Lüfters 12 in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors 22 erfaßten Ist-Temperatur des Kühlmittels und von einem Sollwert derselben, der beispielsweise vom Lastzustand der Maschine abhängig und in einem Steuergerät 23 gespeichert ist, erreichen. Im vorliegenden Falle ist gegebenenfalls zusätzlich zu dieser Ansteuerung des Lüfters 12 die Jalousie 13 vorgesehen, die in Abhängigkeit von den beschriebenen Größen zwischen ihrem zumindest weitgehend geschlossenen Zustand (Fig. 1 und 2) und ihrem geöffnenten Zustand (Fig. 3) verstellt werden kann. In der Regel wird man die Verstellung der Jalousie zum Zwecke der Beeinflussung des Kühlmitteldrucks erst bei warme Maschine (Fig. 3) vornehmen, während in den den Fig. 1 und 2 zugrunde liegenden Betriebsphasen der Maschinen die Jalousie geschlossen ist.

Damit insbesondere das Luftpolster oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Vorrats­ behälter 10 der so erzielten Druckänderung nicht entgegenwirkt, ist in dem figürlich dargestellten Ausführungsbeispiel in der Anschlußleitung des Behälters das Ventil 24 vorgesehen, so daß sich mit zunehmender Wärmeentwicklung in der Brennkraftmaschine 1 in dem eigentlichen Kühlkreislauf 7 einschließlich Heizkreislauf 17 mit der zuneh­ menden Verdampfung des Kühlmittels der erhöhte Druck aufbauen kann.

In vielen Fällen sind die Verbindungsleitungen als Schläuche ausgeführt, so daß man daran interessiert ist, den Druckanstieg insbesondere auf die Kanäle 4 in der Brennkraftmaschine 1 zu beschränken. In diesem Falle kann man am Ausgang 6 vor der Abzweigung der Kühlmittelleitungen zum Hauptkondensator und zum Wärme­ tauscher 18 ein Ventil 25 vorsehen, das im Teillastbetrieb, d. h. während Betriebs­ phasen, in denen eine höhere Maschinentemperatur erwünscht ist, die Kühlmittel­ kanäle 4 vom übrigen System trennt. In diesem Falle muß allerdings eine Unter­ brechung der Zufuhr erwärmten Kühlmittels zum Heizungswärmetauscher 18 in Kauf genommen werden. Im Zulauf 5 wird man dann ein Rückschlagventil vorsehen.

Empfehlenswert ist der Einsatz niedrig siedender Kühlmittel, wie Methanol, die bei gleicher Kühlleistung ein geringeres Dampfvolumen produzieren und einen uner­ wünschten Unterdruck im System vermeiden (Zusammenziehen von Schläuchen, Luftein­ tritt).

Mit der Erfindung ist also eine Einrichtung geschaffen, die die grundlegenden Vorteile einer Verdampfungskühlung für eine Brennkraftmaschine für den Betrieb eines Heizungswärmetauschers nutzbar macht.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine durch Verdampfung eines Kühlmittels und zum Betreiben zumindest eines Heizungswärmetauschers durch dieses, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit in die Maschine eingelassenen, mit Ein- und Auslaß versehenen kühlmittelgefüllten Kanälen, zumindest einem zwischen dem Ein- und dem Auslaß angeordneten Hauptkondensator und mit einem teilweise mit flüssigem Kühlmittel gefüllten Kühlmittelvorratsbehälter, die einen Kühlkreislauf bilden, sowie mit einem zumindest einen Teil der Kanäle einschließenden, den Heizungswärmetauscher und eine Kühlmittelpumpe enthaltenden Heizkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilanordnung (9) vorgesehen ist, die während einer Warmlaufphase der Maschine (1) unter Abtrennen des Hauptkondensators (8) vom Kühlkreislauf (7) eine Zirkulation flüssigen und - unter Ausnutzung des Heizungswärmetauschers (18) als Konden­ sator - dampfförmigen Kühlmittels nur im Heizkreislauf (17) zuläßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel­ pumpe (20) in Abhängigkeit vom Heizleistungsbedarf gesteuert ist, unabhängig von diesem aber beim Auftreten von Kühlmitteldampf im Heizkreislauf (17) eingeschaltet wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilan­ ordnung (9) den Hauptkondensator (8) anschließt, wenn im Heizkreislauf (17) ein vorgegebener Druck des Kühlmittels und/oder im Heizungswärmetauscher (18) und/oder im Vorratsbehälter (10) ein vorgegebener Stand des flüssigen Kühlmit­ tels und/oder im Heizungswärmetauscher (18) ein nahe der Siedetemperatur des Kühlmittels liegender Temperaturwert erreicht ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) unabhängig von der Ventilanordnung (9) mit dem Heizkreislauf (17) in Verbindung steht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehäl­ ter (10) dauernd mit dem Heizkreislauf (17) verbunden ist.

6. Einrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine durch Verdampfung eines Kühlmittels, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit in die Maschine einge­ lassenen, mit Ein- und Auslaß versehenen kühlmittelgefüllten Kanälen, zumindest einem zwischen dem Ein- und dem Auslaß angeordneten Hauptkondensator und mit einem teilweise mit flüssigem Kühlmittel gefüllten Kühlmittelvorratsbe­ hälter, die einen Kühlkreislauf bilden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung des Kühlmitteldrucks dem Hauptkondensator (8) eine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Maschine (1) und/oder von Zustandsgrößen des Kühlmittels verstellbare Jalou­ sie (13) im Wege der Kühlluftströmung zugeorndet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) über ein Ventil (24) anschaltbar ist, das zur Erhöhung des Kühlmittel­ drucks im Sperrsinne angesteuert wird.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitweiligen Erhöhung des Kühlmitteldrucks am Auslaß (6) der in die Maschine (1) eingelassenen Kanäle (4) ein in Abhängigkeit von Betriebspara­ metern der Maschine (1) und/oder von Zustandsgrößen des Kühlmittels betätig­ bares Ventil (25) angeordnet ist.