DE4117532A1

DE4117532A1 - Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich

Info

Publication number: DE4117532A1
Application number: DE19914117532
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1992-12-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein selbstregelndes Kühlsystem für Wärmekraftmaschinen, insbesondere für Verbrennungsmotoren mit weitem Drehzahlbereich.

Bei der Motorkühlung mit Hilfe von mit der Motordrehzahl linear hochlaufenden Kühlwasserpumpen verhält sich die umlaufende Kühlwassermenge proportional der Pumpendrehzahl bzw. Motordrehzahl. Bei hohen Motordrehzahlen wird daher der Motor so stark gekühlt, daß die Zylinderinnenwandtemperatur weit unter den zulässigen Höchstwert sinkt. Insbesondere auch im Teillastbereich hat man daher eine unnötig starke Motorkühlung. Damit sind aber auch zusätzliche Wärmeverluste durch unabgestimmte Kühlung gegeben, die mit einer regelbaren Kühlung wenigstens teilweise verringert werden könnten. Diese Problematik wurde bereits erkannt. In den Patentanmeldungen D 33 29 002 und D 36 11 708 wird mit Hilfe eines Thermostaten das Pumpenlaufrad in oder aus dem Kreislauf geschoben. In den Patentanmeldungen D 26 16 238 und D 30 48 611 werden ein- oder zweistufige Laufräder durch einen Thermostaten an- oder abgekoppelt.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorschläge ist, daß sie nur aufgrund der an der Pumpe herrschenden Wassertemperatur geregelt werden. An der Pumpe ist aber ein ungünstiger Ort, um mit der dort herrschenden Wassertemperatur vernünftige Regelinformationen zu erhalten.

Entscheidend für eine Regelung der Kühlwassergeschwindigkeit und des Kühlwasserkreislaufs ist die Temperatur hinter dem Motorblock.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung wie sie gekennzeichnet ist, regelt aufgrund der Temperatur an oder hinter den zu kühlenden Bauteilen die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums entlang dieser Bauteile so, daß bei hohen Bauteiltemperaturen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als bei niedrigeren Bauteiltemperaturen gegeben ist. Dies wird dadurch erreicht, daß hinter dem zu kühlenden Motorblock oder der Maschine ein Thermoventil so angeordnet ist, daß entweder das Ventil den Fluidstrom durch die Kühlkanäle drosselt und/ oder einen Teil des Pumpenförderstroms an der Maschine vorbeiführt, so daß nur ein verminderter Kühlstrom durch die Kühlkanäle fließt.

Fig. 1, 2 und 3 erläutern das erfindungsgemäße Kühlsystem. Diagramm 1 und 2 zeigen die Verbesserungen durch das Kühlsystem.

Fig. 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Lösung.

Diese Lösung besteht aus einer druckgeregelten Pumpe 1, deren wirksamer Durchmesser aufgrund des Drucks hinter der Pumpe verstellt wird, und einem mit einem Thermostaten verstellbaren Drosselventil 10 hinter dem Motorblock. Dies ist in Fig. 1 skizziert.

Das Pumpenrad weist Schaufeln 2 auf, die an ihrem vorderen Ende einen geringen radialen Durchmesser und an ihrem anderen Ende einen hohen radialen Durchmesser haben. Auf der Welle 3 des Pumpenrades 1 ist ein Regelelement 4 axial verschiebbar, welches mit dem Pumpenrad umläuft. Das Regelelement 4 weist den radialen Pumpenkanal auf. Durch Verschieben dieses Regelelements 4 wird der Pumpenkanal zum niedrigen oder zum hohen Schaufeldurchmesser bewegt. Die Schaufeln 2 gleiten dabei in Schlitze 6 im Regelelement 4. In der Ausgangsposition wird das Regelelement durch eine Feder 5, die sich am Pumpenrad abstützt, zum hohen Schaufeldurchmesser verschoben. In der Saugkammer 9 vor dem Regelelement herrscht der Saugdruck, in der Förderkammer 8 hinter dem Regelelement herrscht der Förderdruck. Die Pumpe arbeitet dann so: Nach den Ähnlichkeitsgesetzen für Strömungsmaschinen gehorcht das Pumpendrehmoment M_p der Gleichung:

M_p = λ _* ρ _* D⁵ _* ω_p² (I.1)

mit

λ = Leistungszahl,
ρ = spez. Fluidgewicht,
D = Pumpendurchmesser,
ω_p = Winkelgeschwindigkeit der Pumpe.

Ebenso ändert sich der Förderdruck mit D⁵ _* ω_p. Steigt nun der Förderdruck in der Förderkammer 8 über einen Mindestdruck, wird das Regelelement 4 auf der Welle 3 des Pumpenrades gegen die Federkraft zum geringeren Schaufeldurchmesser bewegt. Damit sinkt automatisch der Förderdruck. Auch bei großen Drehzahlunterschieden kann damit ein nahezu gleichbleibender Druck über den gesamten Drehzahlbereich ermöglicht werden. Hinter dem Motorblock 9 sitzt ein Drosselventil 10 mit einem Thermostaten im Kreislauf, mit dessen Hilfe der Querschnitt des Kühlkanals hinter dem Motor in Abhängigkeit von der dortigen Wassertemperatur verändert wird. Von dem Drosselventil 10 strömt das Kühlwasser durch den Thermostaten 11 (der dem Thermostaten g aus DUBBEL entspricht) in den Kühler bzw. im Kurzschluß zur Pumpe.

Dieses System arbeitet dann nach folgendem Prinzip:

Bei der Wärmeleitung durch eine ebene Wand gilt die Gleichung für den Wärmestrom Q_z:

Q_z = F_*(t_w1-t_w2)_*λ/δ

mit

λ = Wärmeleitzahl,
δ = Wandstärke,
F = Wandfläche,
t_w1 = innere Wandtemperatur,
t_w2 = äußere Wandtemperatur.

Der Wärmestrom Q_zg von einer bewegten Flüssigkeit oder einem Gas an eine Wand ist:

Q_zg = F_*(t-t_w) _* α

mit

F = Wandfläche,
t = Fluidtemperatur,
t_w = Wandtemperatur,
α = Wärmeübergangszahl.

Dann ist die vom Zylinderinhalt an die Wand abgegebene Wärmemenge Q_zuf:

Q_zuf = α_Gas _*F_*(t_Gas-t_w1) (I)

mit

α_Gas = Wärmeübergangszahl Gas,
t_Gas = durchschnittliche Gastemperatur im Zylinder.

Für Wasser gilt nach DUBBEL für den Faktor α näherungsweise:

α_Wasser ≈ 2900_*w^0,85 _*(1+0,014_*t) kcal/m²h grd

mit

w = Strömungsgeschwindigkeit des Wassers,
t = Wassertemperatur.

Für Wassertemperatur 90°C wird z. B. für w = 1 m/sec: α_Wasser = 6554 und für w = 0,16666 m/sec: α_Wasser = 1429.

Dann ist die vom Wasser abgeführte Wärmemenge Q_abf:

Q_abf = α_Wasser _*F_*(t_w2-t) (II)

Da alle Wärmemengen gleich sein müssen, erhält man mit

Q_zuf = Q_z (Gl. 1.) und mit
Q_abf = Q_z (Gl. 2.)

zwei Gleichungen mit den beiden Unbekannten t_w1 und t_w2. Bei Auflösung dieser Gleichungen (Gl. 1.) und (Gl. 2.) mit den Gleichungen (I) und (II) erhält man dann:

Innenwandtemperatur t_w1,
Außenwandtemperatur t_w2.

Diagramm 1 zeigt für konstant angenommene α_Gas und λ/δ und für Wassertemperaturen t = 80° und t = 90° sowie bei Annahme eines linearen Ansteigens der Strömungsgeschwindigkeit mit der Motordrehzahl den Verlauf der Zylinderinnenwandtemperatur bei verschiedenen Durchschnittstemperaturen t_in im Zylinder. t_in sei dabei die durchschnittliche Gastemperatur während der vier Takte. Sie ist bei Vollast natürlich höher als bei Teillast. Man erkennt, daß, wenn man auch bei niedrigen Motordrehzahlen eine zufriedenstellende Kühlwirkung erreichen will, durch das sich vergrößernde α_Wasser bei höheren Motordrehzahlen (Strömungsgeschwindigkeiten) die Innenwandtemperatur t_w1 stark absinkt.

Diagramm 2 zeigt die gleichen Kurven für die erfindungsgemäße Regelung. Durch das Ventil 10 wird die Strömungsgeschwindigkeit in den Kühlkanälen gleichbleibend niedrig gehalten, so daß auch bei höheren Motordrehzahlen die Innenwandtemperatur nur geringfügig sinkt. Die thermostatische Regelung garantiert, daß eine zu hohe Bauteiltemperatur bzw. Kühlwassertemperatur nicht auftreten kann. Mit steigender Wassertemperatur öffnet das Drosselventil, der Druck hinter der Pumpe sinkt und damit vergrößert sich der Pumpendurchmesser und die Strömungsgeschwindigkeit in den Kühlkanälen nimmt stark zu. Damit steigt die Wärmeabfuhr und die Bauteil- und Kühlwassertemperatur sinkt wieder. Anhand der Diagramme erkennt man auch, daß eine Regelung der Durchströmgeschwindigkeit wesentlich wirksamer ist als eine alleinige Veränderung der Kühlwassertemperatur um z. B. 10°.

Eine Kühlwasserregelung nach dem erfindungsgemäßen Konzept läßt bei einer mittleren Motordrehzahl von 3000 U/min die Innenwandtemperatur des Zylinders im unteren bis mittleren Teillastbereich um 30°-45° und mehr und im oberen Teillast- bis Vollastbereich um 25°-40° und mehr ansteigen gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen. Damit werden die vermeidbaren Wärmeverluste durch Kühlung je nach Motor rechnerisch um 800-2000 kcal/std und mehr verringert. Je nach Fahrgeschwindigkeit und Motor bedeutet dies eine Benzineinsparung von 0,2-0,5 l/100 km.

Weiterhin werden die Randbedingungen für die Abgasbildung stabilisiert und die Gefahr der Kondensatbildung an den Wänden verringert.

Fig. 2 zeigt ein Thermoventil 20 hinter dem Motorblock, welches in Abhängigkeit von der Temperatur des aus dem Motorblock kommenden Kühlwassers den Querschnitt des aus dem Motorblock kommenden Kühlwasserkanals drosselt. Ein Bypass 21 von der Pumpe am Motorblock vorbei ist mit einem Druckbegrenzungsventil 22 versehen, welches bei einem Druck von z. B. mehr als 1,5 bar hinter der Pumpe öffnet. Somit strömt nur ein Teilstrom des Pumpenförderstroms durch den Motor. Vor dem Thermoventil 20 herrscht somit ein Überdruck von 1,5 bar, der nicht weiter erhöht werden kann, so daß durch Verstellen des Ventilquerschnitts die Durchströmmenge durch das Ventil verändert wird. Damit wird auch die Durchströmgeschwindigkeit durch die Kühlkanäle im Motorblock geändert. Eine derartige Lösung kann auf eine Verstellpumpe verzichten.

Fig. 3 zeigt ein Thermoventil 30 hinter dem Motorblock, welches in Abhängigkeit von der Temperatur des aus dem Motorblock kommenden Kühlwassers einen Bypass 31 von der Pumpe am Motorblock vorbei öffnet oder schließt, so daß nur ein Teilstrom des Pumpenförderstroms durch den Motor strömt.

Claims

1. Selbstregelndes Kühlsystem für Wärmekraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren mit weitem Drehzahlbereich, bei dem mit Hilfe einer Pumpe ein flüssiges Medium durch den Kühlkreislauf gepreßt wird und bei dem bei gegebener Pumpendrehzahl der Kühlmittelstrom der Pumpe entlang der zu kühlenden Bauteile veränderbar sein soll, dadurch gekennzeichnet, daß an oder hinter den zu kühlenden Bauteilen ein Drosselventil (10; 20) oder ein Wegeventil (30) angeordnet ist, welches in Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur oder der dort herrschenden Kühlmitteltemperatur verstellt wird, und das Drosselventil (10; 20) den Querschnitt des Abströmkanals verändert und/oder ein Druckbegrenzungsventil (22) oder ein Wegeventil (30) einen Bypass (21; 31) öffnet, der einen Teil des Pumpenförderstroms die zu kühlenden Bauteile umgehen läßt, und daher nur ein Teilstrom an den zu kühlenden Bauteilen entlanggeführt wird, so daß die Strömungsgeschwindigkeit entlang der zu kühlenden Bauteile verändert wird.

2. Kühlsystem unter Patentanspruch 1, bei welchem ein Drosselventil (10) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (1) eine radiale Kreiselpumpe ist, bei der in Abhängigkeit vom Förderdruck der radiale Durchmesser der vom Fluidstrom benetzten Schaufeln verändert wird.

3. Kühlsystem unter Patentanspruch 1, bei welchem ein Drosselventil (20) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von der Pumpe ein mit einem Druckbegrenzungsventil (22) versehener Bypass (21), der die zu kühlenden Bauteile umgeht, zum Kühlmittelkanal hinter den zu kühlenden Bauteilen führt und so am Drosselventil eine maximal begrenzte Druckdifferenz erzeugt wird.