DE4037644A1 - Verdampfungsgekuehlte verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verdampfungsgekühlte Verbren­ nungskraftmaschine, bei der ein von einem Kühlmittel durch­ strömbares, druckbeaufschlagbares Kühlsystem mit einem Aus­ gleichsbehälter verbunden ist, wobei der Ausgleichsbehälter mittels einer Verbindungsleitung an eine dampfgefüllte Zone des Kühlsystems angeschlossen ist.

Eine solche Verbrennungskraftmaschine ist aus der US 46 48 356 bekannt. Danach besteht das Kühlsystem im wesentlichen aus einem Wassermantel der Maschine, einem Kondensator, einem Kondensattank und einem Behälter, der durch eine Membran in zwei Kammern unterteilt ist, wobei die dem Kühlsystem abgewand­ te Kammer zur Atmosphäre hin offen ist. Bei steigender Tempera­ tur des Kühlmittels und damit verbundenem, steigendem Druck auf die dem Kühlsystem zugewandte Seite der Membran wird das Volumen des Kühlsystems automatisch verändert; Aufgabe dieser Anlage ist, die im hermetisch abgeschlossenen System befind­ liche Luft vorübergehend aus dem System zu ziehen und vom Kondensator fernzuhalten, um die Funktion der Anlage zu verbes­ sern. Die für die Funktion des Systems nachteilige Luft wird während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine im Behälter mit der Membran gespeichert und bei stehender und abkühlender Maschine in das System zurückgeführt um die Entstehung von Unterdruck zu vermeiden. Ein weiterer Bestandteil der Anlage ist der elektrisch angetriebene Ventilator, der im Bedarfsfall Kühlluft am Kondensator vorbeistreichen läßt und so die Tempera­ tur der Kühlflüssigkeit in Abhängigkeit von der Kühlluftmenge verändert.

Dabei ist allerdings zu beachten, daß auf den Druck im Kühl­ system von außen kein Einfluß genommen werden kann. Im wesent­ lichen bestimmen die Federkennlinie und der Atmosphärendruck den Innendruck im Kühlsystem und die damit verbundene Siedetem­ peratur des Kühlmittels. Der Ventilator als einziges, von außen ansteuerbares Bauteil bewirkt nur eine sehr geringe und lang­ same Änderung der Temperatur des Kühlmittels. Zur Erzielung dieser geringen Wirkung benötigt der Ventilator jedoch vergleichs­ weise viel Energie. Dadurch, daß der Druck im Kühlsystem nicht in ausreichendem Maße einstellbar ist, kann somit auch keine sinnvolle Anpassung der Siedetemperatur des Kühlmittels an den jeweiligen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine erfolgen. Durch diese Einschränkung läßt sich die Temperatur sowohl des Kühlmittels, als auch der den Brennraum berührenden Teile nur in unzureichendem Maße auf einen für einen günstigen Verbrennungsablauf optimalen Wert einstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Verbren­ nungskraftmaschine derart weiter zu entwickeln, daß die Siede­ temperatur des Kühlmittels über einen deutlich größeren Bereich regelbar wird, ohne daß der vergleichsweise einfache Aufbau und die große Betriebssicherheit verloren gehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltung nehmen die Unteransprüche bezug.

Bei der erfindungsgemäßen verdampfungsgekühlten Verbrennungs­ kraftmaschine ist es vorgesehen, daß dem Ausgleichsbehälter zumindest ein Hilfsmittel zur Reduzierung des Innendruckes im Kühlsystem zugeordnet ist.

Bei der Verdampfungskühlung stellt sich die Siedetemperatur des Kühlmittels nach dem Druck im Kühlsystem ein. Ein niedriger Systemdruck bewirkt eine niedrige Siedetemperatur des Kühl­ mittels. Daraus folgt, daß beispielsweise im Voll-Lastbereich, durch niedrig eingestellten Systemdruck, schon bei relativ niedrigen Kühlmitteltemperaturen die Siedetemperatur erreicht oder überschritten ist, die Verdampfung des Kühlmittels beginnt und die Bauteile der Verbrennungskraftmaschine gekühlt werden und so vor einer thermischen Überlastung geschützt sind. Im Teillastbereich dagegen, werden höhere Systemdrücke und Siede­ temperaturen angestrebt, um die Verbrennungskraftmaschine in einem optimalen Bauteiltemperaturbereich zu betreiben.

Das Hilfsmittel kann aus einer in dem Ausgleichsbehälter angeordneten, relativ beweglichen und gasdichten Trennwand bestehen, die den verdampftes Kühlmittel enthaltenden Raum von einem Ausgleichsraum trennt wobei der Ausgleichsraum mit einer signalbetätigbaren Evakuierungseinrichtung versehen ist. Zur Systemdruckregelung ist vorgesehen, die relativ bewegliche, gasdichte Trennwand mit Unterdruck zu beaufschlagen. Durch die Auslenkung der Trennwand im Ausgleichsbehälter wird das Gesamt­ volumen des Kühlsystems und damit der Systemdruck in Abhängig­ keit vom Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine geregelt.

Der gewünschte Systemdruck kann beispielsweise aus folgenden Parametern ermittelt werden: Kühlmitteltemperatur, Bauteil­ temperatur, Betrag des Unterdruckes im Saugrohr, Stellung der Drosselklappen, Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, einge­ spritzte Kraftstoffmenge, Umgebungstemperatur und Fahrzeugge­ schwindigkeit. Bei elektronisch gesteuerten Verbrennungskraft­ maschinen steht eine Vielzahl der oben genannten Hilfsgrößen ohnehin zur Verfügung, so daß keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden. Die Trennwand kann hydraulisch oder pneuma­ tisch ausgelenkt werden. Auch eine direkte mechanische Betäti­ gung der Trennwand durch z. B. einen Servo-Motor oder einen Magneten wäre denkbar.

Die Trennwand kann aus einem Kolben bestehen. Große Volumen­ änderungen im Ausgleichsbehälter lassen sich damit einfach realisieren. Außerdem handelt es sich bei einem Kolben um ein einfach und preiswert herzustellendes Bauteil. Selbstverständ­ lich ist der Kolben am Außenumfang mit einer Dichtung zu versehen, um den Druck im Kühlsystem aufrecht zu erhalten.

Die Trennwand kann auch aus einer elastischen Membran bestehen, die aus einem gasundurchlässigen Werkstoff gefertigt ist. Diese Bauart bietet sich insbesondere für Kühlsysteme an, die nur relativ kleine Volumenänderungen zur Anpassung des System­ druckes an den jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungs­ kraftmaschine benötigen. Dann stellt dieses System eine ein­ fache und kostengünstige Lösung dar.

Darüber hinaus kann die Trennwand auf einer in dem Ausgleichs­ raum angeordneten Druckfeder abgestützt sein. Hierbei ist von Vorteil, daß sich im Ausgleichsraum kein Kühlmittel befindet, welches die Feder, die beispielsweise als Schraubendruckfeder, als Tellerfederpaket oder als Schaumstoffkörper aus elastomerem Werkstoff vorgesehen sein kann, angreift.

Die Evakuierungseinrichtung kann aus einer den Ausgleichsraum mit der Sauganlage der Verbrennungskraftmaschine verbindende Leitung bestehen, die durch zumindest ein Ventil verschließbar ist. Dabei wird natürlich vorausgesetzt, daß eine Sauganlage vorhanden ist und diese auch einen Unterdruck zur Verfügung stellt, der ausreicht, die Trennwand einwandfrei zu betätigen. Diese Lösung stellt die kostengünstigste Variante der Betätigung der Trennwand dar.

Die Evakuierungseinrichtung kann aus einer den Ausgleichsraum mit der Sauganlage der Verbrennungskraftmaschine verbindende Leitung bestehen, der ein Unterdruckspeicher zugeordnet ist. Insbesondere im Voll-Lastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ist die Beaufschlagung der Trennwand im Auslgeichsbehälter mit Unterdruck aus dem Saugrohr problematisch. Durch die voll geöffneten Drosselklappen steht häufig lediglich ein zu geringer Unterdruck zur Verschiebung der Trennwand gegen die Federkraft zur Verfügung. Ist ein Unterdruckspeicher in der Leitung angeordnet, der ein in Richtung der Sauganlage zu öffnendes Rückschlagventil enthält, ist die Funktion des Kühlsystems auch im Voll-Lastbetrieb bei voll geöffneten Drosselklappen sichergestellt. Im Leerlauf oder Teillast­ betrieb, wenn genügend Unterdruck zur Verschiebung der Trennwand bereit steht, aber nicht benötigt wird, kann dieser gespeichert und bei Bedarf für eine Unterdruckbeaufschlagung und Verschiebung der Trennwand genutzt werden.

Die Sauganlage der Verbrennungskraftmaschine kann über eine Steuerungsleitung mit einem Mehrwegeventil zur Betätigung des Unterdruckspeichers verbunden sein. Diese Variante zur Betäti­ gung des Unterdruckspeichers stellt eine besonders kostengün­ stige Lösung dar. Elektrische Bauteile zur Ventilbetätigung sind nicht erforderlich, können aber, wenn beispielsweise eine elektronische Motorensteuerung vorhanden ist, durchaus verwen­ det werden.

Reicht der durch die Sauganlage und den Unterdruckspeicher erzeugte Unterdruck nicht aus, oder ist kein Unterdruck in der Sauganlage vorhanden, kann die Evakuierungseinrichtung aus einer den Ausgleichsraum mit einer Saugpumpe verbindende Leitung bestehen wobei die Leitung durch ein Ventil verschließ­ bar ist. Dabei wird die Saugpumpe vorteilhafterweise elektrisch angetrieben; auch mechanische oder magnetische Antriebe sind denkbar.

Das Ventil kann mit einer Belüftungsöffnung versehen sein, die bei nicht betätigtem Ventil nur den Ausgleichsraum mit der Atmosphäre verbindet. Hierbei ist von Vorteil, daß durch die Belüftungsöffnung des Ventils eine bedarfsweise Verringerung des Kühlsystemvolumens besonders leicht realisierbar ist.

Dem Ventil kann ein Servo-Antrieb zugeordnet sein. Ist der Servo-Antrieb signalleitend mit einer Steuereinheit verbunden, ist von Vorteil, daß dem Servo-Antrieb die genauen Daten einer Steuereinheit zugeordnet sind. Die Steuereinheit kann über ein Kennfeld betätigbar sein, oder ist in einer bereits vorhandenen elektronischen Motorsteuerung integriert. Eine besonders exakte und gleichzeitig einfache Betätigung des Ventils wird dadurch ermöglicht.

Der Ausgleichsbehälter weist vorteilhafterweise ein Kompen­ sationsvolumen auf, das 0,1 bis 5mal so groß ist, wie die dampfgefüllte Zone des Kühlsystems. Die Größe des Ausgleichs­ behälters wird durch den Grad der Luft-Dampfentmischung im Kühlsystem bestimmt. Im günstigsten Fall, bei vollständiger Luft-Dampfentmischung, sollte das Volumen des Ausgleichsbe­ hälters so bemessen sein, daß es möglichst die ganze im Kühl­ system enthaltene Luftmasse aufnehmen kann. Bei unvollständiger Luft-Dampfentmischung, wenn also Luft im Kühlsystem verbleibt und ein Luft-Dampfgemisch in den Ausgleichsbehälter gelangt, ist dieser möglichst groß auszulegen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen verdampfungs­ gekühlten Verbrennungskraftmaschine ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben.

Die Zeichnung zeigt eine verdampfungsgekühlte Verbrennungs­ kraftmaschine 10. Dabei ist ein Kühlsystem 2 vorgesehen, das im wesentlichen aus einem Kühlmittelabscheider 13, einem Konden­ sator 14, einem Ausgleichsbehälter 1, einer Kondensatpumpe 15 und einer Steuereinheit 9 besteht.

Bei dem Kühlmittel kann es sich um Wasser mit einem Gehalt an Frostschutzmittel handeln. Von Vorteil ist ein Kühlmittel mit aeziotropischen Eigenschaften, d. h. ein Kühlmittel, bei dem keine Entmischung der Komponenten während der Verdampfung auftritt. Der Ausgleichsbehälter 1 ist über eine Verbindungs­ leitung 11 mit einer hochgelegnen, dampfgefüllten Zone 12 des Kühlsystems 2 verbunden, beispielsweise mit der höchsten Stelle des Kondensators 14. Der Kondensator 14 ist zweckmäßigerweise so anzuordnen, daß seine Kühlelemente von Außenluft 17 gut durchströmbar sind. Zur Unterstützung der Kondensation, insbe­ sondere bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten, kann beispiels­ weise zusätzliche ein Ventilator 16 vorgesehen sein, der Kühlluft durch die Kühlelemente des Kondensators 14 bläst. Der Ausgleichsbehälter 1 ist mittels einer Leitung 3, in der sich ein Ventil 4 zur Steuerung der Hubstellung des Kolbens 5 im Ausgleichsbehälter 1 befindet, mit dem Saugrohr der Verbren­ nungskraftmaschine 10 oder einer anderen Evakuierungseinrich­ tung, beispielsweise einer Pumpe 18, verbunden. Das Ventil 4 kann auf unterschiedlichste Weise betätigt werden, z. B. durch einen Servo-Antrieb 8 der von einer Steuereinheit 9 angesteuert wird. Die Steuereinheit 9, die mit der Motorsteuerung identisch sein kann, ist signalleitend mit Sensoren verbunden, die Werte über den Systemdruck des Kühlsystems 2, die Kühlmitteltempera­ tur und die Motorenbauteiltemperaturen übermitteln.

Auch Hilfsgrößen wie der Kolbenweg des Kolbens 5, der Betrag des Unterdruckes im Saugrohr, die Motorendrehzahl, die Umge­ bungstemperatur und die Fahrzeuggeschwindigkeit können zur Steuerung des Ventils 4 herangezogen werden. Im Ausgleichsraum 6 befindet sich eine Feder 7, die dem Kolben 5 zugeordnet ist.

Durch Auslenkung des Kolbens 5 wird das Gesamtvolumen des Kühlsystems 2 verändert. Bei der Verdampfungskühlung stellt sich die Siedetemperatur nach dem Systemdruck ein. Ein niedri­ ger Systemdruck, der von der aktuellen Motorheizleistung, der Kondensatorleistung und dem Gas- Dampfvolumen im Kühlsystem 2 abhängig ist, bewirkt eine niedrigere Siede- und Motorenbauteil­ temperatur; ein höherer Systemdruck bewirkt demgegenüber eine höhere Siede- und Motorenbauteiltemperatur.

Solange die Kühlmitteltemperatur unterhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels liegt, findet keine Verdampfung mit anschließen­ der Kondensation statt.

Läuft die Verbrennungskraftmaschine 10 beispielsweise unter Voll-Last und die Motorheizleistung steigt stark an, wird das Ventil 4 in der Leitung 3 zur Evakuierungseinrichtung stufenlos oder getaktet geöffnet und der Kolben 5 bewegt sich im Ausgleichs­ behälter 1 gegen den Widerstand der Feder 7 nach oben. Steht der Kolben 5 am oberen Anschlag des Ausgleichsbehälters 1, ist das Volumen des Kühlsystems 2 am größten, der Systemdruck und die Siedetemperatur des Kühlmittels sind am geringsten. Solange die aktuelle Kühlmitteltemperatur nicht unterhalb der Kühlmittel­ siedetemperatur liegt, verdampft das Kühlmittel und die Verbren­ nungskraftmaschine 10 wird gekühlt; eine Überhitzung der verdampfungsgekühlten Verbrennungskraftmaschine 10 ist ausge­ schlossen. Im Teillast-Bereich der Verbrennungskraftmaschine 10 wird der Systemdruck und somit die Siedetemperatur des Kühlmittels über den Kolben 5 auf einen für optimale Bauteiltemperatur günstigen Wert eingestellt.

Claims (12)

1. Verdampfungsgekühlte Verbrennungskraftmaschine, bei der ein von einem Kühlmittel durchströmbares, druckbeauf­ schlagbares Kühlsystem mit einem Ausgleichsbehälter ver­ bunden ist, wobei der Ausgleichsbehälter mittels einer Verbindungsleitung an eine dampfgefüllte Zone des Kühl­ systems angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgleichsbehälter (1) zumindest ein Hilfs­ mittel zur Reduzierung des Innendruckes im Kühlsystem (2) zugeordnet ist.

2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hilfsmittel aus einer in dem Ausgleichs­ behälter (1) angeordneten, relativ beweglichen und gasdichten Trennwand besteht, die den verdampftes Kühlmittel enthaltenden Raum von einem Ausgleichsraum (6) trennt und daß der Ausgleichsraum (6) mit einer signalbetätigbaren Evakuierungseinrichtung versehen ist.

3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennwand aus einem Kolben (5) besteht.

4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trennwand aus einer elastischen Membrane besteht.

5. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand auf einer in dem Ausgleichsraum (6) angeordneten Druckfeder (7) abgestützt ist.

6. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Evakuierungseinrichtung aus einer den Ausgleichsraum (6) mit der Sauganlage der Verbren­ nungskraftmaschine (10) verbindende Leitung (3) besteht und daß die Leitung (3) durch zumindest ein Ventil (4) verschließbar ist.

7. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Evakuierungseinrichtung aus einer den Ausgleichsraum (6) mit der Sauganlage der Verbren­ nungskraftmaschine (10) verbindende Leitung (3) besteht und daß der Leitung (3) ein Unterdruckspeicher zugeordnet ist.

8. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauganlage der Verbrennungskraft­ maschine (10) über eine Steuerungsleitung mit einem Mehrwegeventil zur Betätigung des Unterdruckspeichers verbunden ist.

9. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Evakuierungseinrichtung aus einer den Ausgleichsraum (6) mit einer Saugpumpe (18) verbindende Leitung (3) besteht und daß die Leitung (3) durch ein Ventil (4) verschließbar ist.

10. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (4) mit einer Belüftungs­ öffnung versehen ist und daß die Belüftungsöffnung bei nicht betätigtem Ventil (4) nur den Ausgleichsraum (6) mit der Atmosphäre verbindet.

11. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ventil (4) ein Servo-Antrieb (8) zugeordnet ist.

12. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsbehälter (1) ein Kompen­ sationsvolumen aufweist, das 0,1 bis 5mal so groß ist, wie die dampfgefüllte Zone (12) des Kühlsystems (2).