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

Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich

Info

Publication number
DE4117532A1
DE4117532A1 DE19914117532 DE4117532A DE4117532A1 DE 4117532 A1 DE4117532 A1 DE 4117532A1 DE 19914117532 DE19914117532 DE 19914117532 DE 4117532 A DE4117532 A DE 4117532A DE 4117532 A1 DE4117532 A1 DE 4117532A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pump
components
engine
cooled
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19914117532
Other languages
English (en)
Inventor
Peter Ingelheim
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE19914117532 priority Critical patent/DE4117532A1/de
Publication of DE4117532A1 publication Critical patent/DE4117532A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00Controlling of coolant flow
    • F01P7/14Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00Controlling of coolant flow
    • F01P7/14Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P2007/143Controlling of coolant flow the coolant being liquid using restrictions
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P5/00Pumping cooling-air or liquid coolants
    • F01P5/10Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00Controlling of coolant flow
    • F01P7/14Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/161Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control by bypassing pumps

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

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 Mp der Gleichung:
Mp = λ * ρ * D⁵ * ωp² (I.1)
mit
λ = Leistungszahl,
ρ = spez. Fluidgewicht,
D = Pumpendurchmesser,
ωp = Winkelgeschwindigkeit der Pumpe.
Ebenso ändert sich der Förderdruck mit D⁵ * ωp. 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 Qz:
Qz = F*(tw1-tw2)*λ/δ
mit
λ = Wärmeleitzahl,
δ = Wandstärke,
F = Wandfläche,
tw1 = innere Wandtemperatur,
tw2 = äußere Wandtemperatur.
Der Wärmestrom Qzg von einer bewegten Flüssigkeit oder einem Gas an eine Wand ist:
Qzg = F*(t-tw) * α
mit
F = Wandfläche,
t = Fluidtemperatur,
tw = Wandtemperatur,
α = Wärmeübergangszahl.
Dann ist die vom Zylinderinhalt an die Wand abgegebene Wärmemenge Qzuf:
Qzuf = αGas *F*(tGas-tw1) (I)
mit
αGas = Wärmeübergangszahl Gas,
tGas = durchschnittliche Gastemperatur im Zylinder.
Für Wasser gilt nach DUBBEL für den Faktor α näherungsweise:
αWasser ≈ 2900*w0,85 *(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: αWasser = 6554 und für w = 0,16666 m/sec: αWasser = 1429.
Dann ist die vom Wasser abgeführte Wärmemenge Qabf:
Qabf = αWasser *F*(tw2-t) (II)
Da alle Wärmemengen gleich sein müssen, erhält man mit
Qzuf = Qz (Gl. 1.) und mit
Qabf = Qz (Gl. 2.)
zwei Gleichungen mit den beiden Unbekannten tw1 und tw2. Bei Auflösung dieser Gleichungen (Gl. 1.) und (Gl. 2.) mit den Gleichungen (I) und (II) erhält man dann:
Innenwandtemperatur tw1,
Außenwandtemperatur tw2.
Diagramm 1 zeigt für konstant angenommene αGas 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 tin im Zylinder. tin 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 αWasser bei höheren Motordrehzahlen (Strömungsgeschwindigkeiten) die Innenwandtemperatur tw1 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 (3)

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.
DE19914117532 1991-05-29 1991-05-29 Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich Withdrawn DE4117532A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19914117532 DE4117532A1 (de) 1991-05-29 1991-05-29 Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19914117532 DE4117532A1 (de) 1991-05-29 1991-05-29 Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE4117532A1 true DE4117532A1 (de) 1992-12-03

Family

ID=6432686

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19914117532 Withdrawn DE4117532A1 (de) 1991-05-29 1991-05-29 Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4117532A1 (de)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997032131A1 (en) * 1996-02-26 1997-09-04 Flowork Systems Inc. Coolant pump for automotive use___________________________________________________________________________________________________
DE19709484A1 (de) * 1997-03-07 1998-09-10 Hella Kg Hueck & Co Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug
WO2003004840A1 (en) * 2001-07-05 2003-01-16 Ford Global Technologies Llc Cooling system for a motor vehicle engine
FR2845420A1 (fr) * 2002-10-04 2004-04-09 Mark Iv Systemes Moteurs Sa Circuit de refroidissement comportant un organe de regulation du flux
FR2856426A1 (fr) * 2004-08-19 2004-12-24 Mark Iv Systemes Moteurs Sa Circuit de refroidissement comportant un organe de regulation du flux
WO2017034456A1 (en) * 2015-08-25 2017-03-02 Scania Cv Ab Thermostat device

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997032131A1 (en) * 1996-02-26 1997-09-04 Flowork Systems Inc. Coolant pump for automotive use___________________________________________________________________________________________________
DE19709484A1 (de) * 1997-03-07 1998-09-10 Hella Kg Hueck & Co Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug
WO2003004840A1 (en) * 2001-07-05 2003-01-16 Ford Global Technologies Llc Cooling system for a motor vehicle engine
FR2845420A1 (fr) * 2002-10-04 2004-04-09 Mark Iv Systemes Moteurs Sa Circuit de refroidissement comportant un organe de regulation du flux
FR2856426A1 (fr) * 2004-08-19 2004-12-24 Mark Iv Systemes Moteurs Sa Circuit de refroidissement comportant un organe de regulation du flux
WO2017034456A1 (en) * 2015-08-25 2017-03-02 Scania Cv Ab Thermostat device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1731787B1 (de) Flüssigkeitsreibungskupplung
EP0058842A1 (de) Wärmetauscheranordnung mit Abgas eines Verbrennungsmotors als wärmeabgebendes Medium
DE4041937A1 (de) Kuehlvorrichtung fuer eine brennkraftmaschine
EP0054792A2 (de) Kühleinrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine und der Ladeluft
DE69935732T2 (de) Gehäuse für die kühlflüssigkeitspumpe eines fahrzeuges
DE69723060T2 (de) Kühlmittelpumpe zur kraftfahrzeugverwendung
DE3012760A1 (de) Fluessigkeitsheizungssystem
DE3430397C2 (de) Brennkraftmaschine mit Verdampfungskühlung
DE4117532A1 (de) Selbstregelndes kuehlsystem fuer waermekraftmaschinen, insbesondere verbrennungsmotoren mit weitem drehzahlbereich
DE2837636A1 (de) Stroemungsmittelkupplung
EP0931208B1 (de) Verfahren und steuerung zur regelung des kühlkreislaufes eines fahrzeuges mittels einer thermisch geregelten wasserpumpe
DE3329002A1 (de) Kuehlmittelpumpe an einer brennkraftmaschine
EP0931209B1 (de) Antriebseinheit mit thermisch geregelter wasserpumpe
DE1475327B1 (de) Fluessigkeitsreibungskupplung mit Fuellungsregelung
DE3022241A1 (de) Kuehlwasserpumpe nach art einer radialpumpe mit einer regeleinrichtung
DE3622378A1 (de) Kuehlfluessigkeitssystem fuer eine brennkraftmaschine
DE3617262A1 (de) Hydrostatischer antrieb
DE2523436A1 (de) Fluessigkeitskuehlsystem fuer eine brennkraftmaschine
DE69919437T2 (de) Flüssigkeitspumpe insbesondere für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine
DE2008456C3 (de) Hydrodynamischer Drehmomentwandler
DE2103598A1 (de) Stromungskupplung
DE3047258C2 (de) Wassergekühlte Brennkraftmaschine mit Druck-Ölschmierung und Kühlwasserpumpe
DE4118799A1 (de) Verfahren zur steuerung der heizwasserzirkulation in einer heizungsanlage
DE1750761A1 (de) Regelkreislauf fuer eine fuellungsregelbare Stroemungskupplung
DE2704955A1 (de) Kuehlsystem, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Legal Events

Date Code Title Description
8139 Disposal/non-payment of the annual fee