DE3809308A1 - Brennkraftmaschine mit verdampfungskuehlung - Google Patents

Description

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

Bekanntlich arbeitet eine Verdampfungskühlung mit erheblich größerem Wirkungsgrad als eine Flüssigkeitskühlung, bei der der Wärmetransport lediglich durch Konvektion erfolgt, während bei der Verdampfungskühlung ein wesentlich wirksamerer Wärmetrans­ port infolge Umwandlung des Aggregatzustands des verwendeten Kühlmediums möglich ist. Dies hat auch Auswirkung auf die erforderliche Auslegung der Kühleinrichtung, insbesondere die Größe des bei der Verdampfungskühlung als Kondensator dienenden Kühlers der Kühlvorrichtung.

Eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der US-PS 45 49 505, F01P 3/22, bekannt. Wie in der Be­ schreibungseinleitung der EP-A 01 89 881, F01P 3/22, dargelegt, besitzt die bekannte Brennkraftmaschine bzw. ihre Verdampfungskühlung die dort als Nachteil angegebene Eigenschaft, daß infolge der unterschiedlichen Siedetemperaturen der Bestandteile der dort verwendeten Kühlflüssigkeit, nämlich Äthylen-Glykol und Wasser, in den Kühlräumen und Kühlkanälen der Brennkraftmaschine durch Destil­ lation oder Auskochen des Wassers aus dem Gemisch eine Konzentration des Frost­ schutzmittels (Äthylen-Glykol) auftritt. Dies wiederum bedeutet nicht nur eine Erhöhung der Temperatur, auf die die Brennkraftmaschine gekühlt wird, sondern auch eine erhöhte Wasserkonzentration in dem im Kondensator vorliegenden Gemisch, wodurch die Gefahr des Einfrierens bei niedrigen Umgebungstemperaturen auftritt.

Auch in der DE-PS 8 72 690 ist die Eigenschaft des angegebenen Gemischs behandelt, sich in den Kühlräumen der Maschine durch Ausdampfen von Wasser in Richtung Äthylen-Glykol anzureichern, jedoch wird dies dort als eine vorteilhafte Eigenschaft dieser Kühlflüssigkeit ausgenutzt. Ausgehend von der Tatsache, daß bei einem Zusatz von nur 20 bis 40% Wasser zu dem Frostschutzmittel ein Gemisch mit einem sehr niedrigen Gefrierpunkt entsteht, wie er im Bereich des Kondensators günstig ist, sowie von dem sehr hohen, bei 160°C liegenden Siedepunkt reinen Äthylen-Glykols wird dort vorgeschlagen, das Wasser bewußt auszudampfen - der Wasserdampf wird ins Freie geleitet -, um im Betrieb der dort zum Antrieb von Flugzeugen gedachten Brennkraftmaschine relativ hohe Maschi­ nentemperaturen sicherzustellen. Nach Beendigung des jeweiligen Fluges muß das verdampfte Wasser durch Nachfüllen ersetzt werden.

Dieser Stand der Technik vermeidet also zwar die bekannte Temperaturregelung bzw. -steuerung über Siedepunktänderungen durch Änderungen des Drucks in der Kühleinrichtung, berücksichtigt jedoch nicht, daß hohe Motortemperaturen im Bereich zwischen 140 und 160°C nur im Teillastbereich, wie er für Kraftfahrzeug­ motoren wichtig ist, im Hinblick auf günstige Abgasemmissionen und Kraftstoffver­ brauch anzustreben sind, nicht dagegen im Vollastbereich, bei dem es auf eine gute Füllung der Brennräume mit Kraftstoff-Luft-Bemisch ankommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine Siedepunktsteuerung bzw. -regelung zum Zwecke der Beeinflussung der Maschinentemperatur ebenfalls unter Vermeidung von Druckänderungen im Kühlsystem durch Verdampfen bzw. Auskochen des Wasseranteils der Kühlflüssigkeit vorgenommen werden kann, ohne daß die unterschiedlichen Anforderungen der Brennkraftmaschine in ihren verschiedenen Betriebsweisen übergangen werden müssen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteihafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Bei der Erfindung erfolgt also das Nachführen von Kühlflüssigkeit (im flüssigen Aggregatzustand) aus dem Kondensator bzw. einem im unteren Bereich desselben befindlichen Vorratsbehälter in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraft­ maschine; dazu gehört gemäß Patentanspruch 4 gegebenenfalls auch die Zuschaltung weiterer Kühlräume, Kühlmäntel oder Kühlkanäle in der eigentlichen Maschine.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert.

Die Brennkraftmaschine 1 enthält als wesentliche Bestandteile das Kurbelgehäuse 2, den Zylinderblock 3 mit im einzelnen nicht dargestellten, da an sich bekannten Kühlkanälen, Kühlräumen und Kühlmänteln sowie den Zylinderkopf 4, der mit dem Zulauf 5 für Kühlflüssigkeit und der Dampfsammelleitung 6 zum Abführen verdampfter Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasserdampf, zum Kondensator 7 versehen ist. Dieser weist in seinem unteren Bereich den Vorratsbehälter 8 für Kühlflüssigkeit auf. Der Kreislauf der Kühlflüssigkeit bzw. des Dampfes ist durch Pfeile angedeutet.

In der Zulaufleitung 9 für Kühlflüssigkeit erkennt man die Umwälzpumpe 10, die von der Steuerung 11 her ein- bzw. ausgeschaltet wird. Dieser Steuerung werden in dem gezeichneten Ausführungsbeispiel Signale von drei Sensoren zugeführt: Der Pegelsensor 12 liefert ein Signal im Sinne der Betätigung der Pumpe 10, wenn der Flüssigkeitspegel im Zylinderkopf 4 einen vorgegebenen Mindestwert unterschritten hat. Der Temperatursensor 13 liefert ebenfalls ein Signal dieser Art, wenn die Temperatur des Dampfes in der Dampfsammelleitung 6 einen vorgegebenen Grenzwert, beispielsweise 145°C, überschreitet, der im Hinblick auf verwendete Materialien, insbesondere Kunststoff, gewählt ist. Der Temperatursensor 14 schließ­ lich erzeugt über die Pumpensteuerung 11 ein Einschaltsignal für die Pumpe 10, wenn in der Brennkraftmaschine 1 eine vorgegebene Maximaltemperatur überschritten wird, die nahe der bei Vollast an dieser Stelle auftretenden Temperatur ist.

Die Vollastsignale für die Pumpensteuerung 11 können statt mittels des Temperatur­ sensors 14 auch auf andere Weise, beispielsweise durch einen Drosselklappen- oder Gaspedalstellungssensor oder einen Sensor für die Einspritzdauer eines Kraftstoffeinspritzventils, erzeugt werden.

Wenn der Temperatursensor 14 (oder ein in anderer Weise gewonnenes Vollastsignal) über die Pumpensteuerung 11 die Pumpe 10 anwirft, erfolgt gleichzeitig über Durchschaltung des Ventils 15 die Einbeziehung zusätzlicher Kühlkanäle, Kühlräume oder dergleichen im Zylinderblock 3, so daß eine schnelle und wirksame Absenkung der Maschinentemperatur erzielt wird.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie ohne weiteres auch den Anschluß eines bei 16 nur angedeuteten, eine Pumpe und zumindest einen Heizungs­ wärmetauscher enthaltenden Heizungskreislaufs an das eigentliche Kühlsystem gestattet, der entweder mit erhitzter Kühlflüssigkeit oder auch mit dampfförmigem Kühlmedium gespeist wird.

Es ist möglich, die Ansteuerung der Pumpe 10 so auszulegen, daß Signale jedes der Sensoren 12, 13 und 14 durch Einschalten der Pumpe 10 zu einem Nachfüllen der Brennkraftmaschine 1 mit flüssigem Kühlmittel vom Vorratsbehälter 8 her führen. Die Erfindung läßt aber auch Verknüpfungen der verschiedenen Sensorsignale zu, etwa in dem Sinne, daß trotz unterhalb eines vorgegebenen Werts liegenden Flüssigkeitspegels im Zylinderkopf, also trotz Signalgabe durch den Sensor 12, die Signale des Temperatursensors 14 erst oberhalb eines vorgegebenen Temperatur­ schwellwerts zum Einschalten der Pumpe 10 führen. Eine derartige Verknüpfung der Sensorsignale bedeutet also innerhalb eines niedrigen Temperaturbereichs "trockene" Kühlräume in der Brennkraftmaschine, wodurch das Aufheizen derselben beschleunigt wird. Andererseits soll die Kühleinrichtung nach Abstellen der Brennkraftmaschine wegen des Nachheizeffekts noch einige Zeit eingeschaltet bleiben, beispielsweise bis eine vom Temperatursensor 14 gemeldete Mindesttempe­ ratur unterschritten wird. Da alle diese Modifikationen nicht eine Frage der konstruktiven Auslegung des Kühlsystems sind, sondern sich gleichsam im Programm der Pumpensteuerung 11 niederschlagen, braucht im einzelnen darauf nicht eingegan­ gen zu werden.

Die Abnahmestelle für den Heizkreislauf 16 liegt, wie auch die Zeichnung erkennen läßt, zweckmäßigerweise entfernt vom Zulauf 5 der Kühlflüssigkeit, während der Rücklauf des Heizkreises 16 in die Brennkraftmaschine 1 in der Nähe der Kühlflüs­ sigkeitsleitung 9 einmünden kann.

Mit der Erfindung ist also eine Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung geschaf­ fen, die unter Ausnutzung der unterschiedlichen Siedepunkte der Bestandteile der Kühlflüssigkeit eine optimale Temperaturregelung der Brennkraftmaschine ohne die Notwendigkeit von Druckänderungen innerhalb des Kühlsystems gestattet. Dabei liegt ein geschlossenes System vor, so daß der auftretende Wasserdampf nicht entweicht und sich ein Nachfüllen von Wasser nach jeder Fahrt des mit der Maschine ausgerüsteten Fahrzeugs erübrigt.

Claims (5)

1. Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung, insbesondere für ein Kraftfahr­ zeug, unter Verwendung eines Gemischs aus Wasser und einem Kühlmittel, dessen Siedetemperatur höher als diejenige des Wassers ist, als Kühlflüssig­ keit, wobei in Kühlräumen der Maschine durch Ausdampfen des Wassers eine Kühlmittelanreicherung in der Kühlflüssigkeit eintritt, mit einem an einen Dampfauslaß der Kühlräume über eine Dampfsammelleitung sowie an einen Kühlf­ lüssigkeitseinlaß der Kühlräume über eine Kühlflüssigkeitspumpe angeschlos­ senen Kondensator, die, angesteuert über Signale zumindest eines Pegelsensors in den Kühlräumen, bei Unterschreiten eines vorgegebenen Kühlflüssigkeitspe­ gels in den Kühlräumen fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (10) auch über Signale an temperaturempfindlichen Stellen angeordneter Temperatur­ sensoren (13, 14) bei Überschreiten zumindest eines vorgegebenen Temperatur­ grenzwertes von einer Steuereinrichtung (11) eingeschaltet wird.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Temperatursensor (13) im Wege (6) des Kühlflüssigkeitsdampfes angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Temperatursensor (14) in einem temperaturkritischen Bereich der Maschine (1) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im tempera­ turkritischen Bereich angeordnete Temperaturfühler (14) bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes ein Ventil (15) zur Verbindung zusätzlicher Kühlräume in der Maschine (19) mit dem Ausgang der Pumpe (10) aufsteuert.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuer­ einrichtung (11) die Betriebsweise der Maschine (1) wiedergebende Signale zugeführt werden.