DE4119172A1 - Verdampfungskuehlung fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdampfungskühlung gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Verdampfungskühlung ist aus der DE-PS 33 39 717 in der Weise bekannt, daß ein individueller Heizungskreislauf mit Heizungspumpe und Heizungswärmetauscher für die Beheizung des Fahrgastraums eines mit der Brennkraftmaschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs an die Kühlräume der Maschine ange­ schlossen ist. Da auch im Rahmen des Kühlkreislaufs, nämlich in der Kondensatleitung, zumindest in aller Regel eine Kondensatpumpe erforderlich ist, bedeutet diese Trennung von Heizungs- und Kühl­ kreislauf einen erheblichen Aufwand, insbesondere an Pumpen. Auch zirkuliert, wie gesagt, nur ein Teil der Kühlmittelmenge durch den Heizungswärmetauscher, so daß die Wirksamkeit des Heizungswärme­ tauschers in Betriebsphasen der Maschine mit geringer Abwärmeent­ wicklung oder überhaupt bei Maschinen mit hohem Wirkungsgrad beschränkt ist.

Auf der anderen Seite ist diese bekannte Verdampfungskühlung inso­ fern günstig, als sie ein geschlossenes System darstellt, also für die Aufrechterhaltung der Qualität des Kühlmittels sowie für den Um­ weltschutz nachteilige Berührungen des Kühlmittels mit der Umge­ bungsluft vermieden sind. Auch ermöglicht die nur teilweise Füllung der Verdampfungskühlung bzw. ihrer Bestandteile mit flüssigem Kühl­ mittel im kalten Zustand der Maschine die konsequente Anwendung des Prinzips der Verdampfungskühlung, wobei zur Aufnahme der von dem verdampften Kühlmittel verdrängten Luft (nicht aber von Kühlmittel) zumindest ein Ausgleichsbehälter mit einer Blase als elastisch nach­ gebender Wand vorgesehen ist.

Diesen Vorteil des vollständigen Abschlusses der kühlmittelgefüllten Räume und Leitungen gegen die Umgebung zeigen die aus der US-PS 43 67 699 bekannten entsprechenden Einrichtungen deshalb nicht, weil sie - ggf. über Ventile - ins Freie mündende Be- und Entlüftungs­ leitungen enthalten, also nicht solche, die in - gegen die Umgebung abgeschlossene - Ausgleichsbehälter einmünden. Soweit ein Heizungs­ wärmetauscher vorgesehen ist, liegt dieser im Zuge der Dampfleitung zwischen Brennkraftmaschine und Kondensator, wird also erst nach Verdampfung des Kühlmittels wirksam. Zur Beschleunigung der Erwär­ mung der kalten Brennkraftmaschine ist ein zusätzlicher Aufwärmkreis für flüssiges Kühlmittel mit einer elektrischen, temperaturabhängig gesteuerten Pumpe unmittelbar an die Kühlungsräume der Maschine angeschlossen. Es ist also festzustellen, daß die in dieser Schrift offenbarten Ausführungen einen erheblichen Aufwand erfordern, bei­ spielsweise wiederum eine Pumpe (im Aufwärmkreis) zusätzlich zur Pumpe in der Kondensatleitung.

Eine elegantere Lösung beschreibt die DE-OS 38 09 136. Auch dort geht es um eine Einrichtung zur Verdampfungskühlung, und in Warm­ laufphasen der Maschine bildet ein eine Kühlmittelpumpe und Hei­ zungswärmetauscher enthaltende Heizungskreislauf unter Abschaltung des Hauptkondensators einen Nebenkondensator. Bei diesem bekannten System, das infolge vollständiger Flutung der einzelnen Bauelemente eine große Kühlmittelmenge erfordert, wird also der Heizungswärme­ tauscher sowohl von flüssigem als auch von dampfförmigem Kühlmittel durchströmt, jedoch erfordert insbesondere die Ausbildung des "kleinen" Heizkreislaufs und des "großen" Kühlkreislaufs Schalt­ mittel (Ventile) und entsprechende Ansteuerungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Ver­ dampfungskühlung zu schaffen, bei der während des Warmlaufs der Ma­ schine ebenfalls ein "kleiner" Kreislauf unter Unwirksammachung des Kondensators, aber unter Einschluß des Heizungswärmetauschers gebil­ det wird, hierzu aber keine Schalttmittel erforderlich sind, und bei der weiterhin auch bei geringer von der Maschine angebotener Abwär­ memenge eine hohe Wirksamkeit des Heizungswärmetauschers erzielt ist.

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

Wesentlich für die Erfindung ist die Einschaltung der Bypassleitung und des Kondensators unter Vermeidung irgendwelcher Ventile allein durch die sich einstellenden Druck- und Gewichtsverhältnisse: Sobald das flüssige Kühlmittel die Dampfleitung durchfließt, gelangt es unter Umgehung des Kondensators in die Bypassleitung und von dieser in die Kondensatleitung, von wo es mittels der Kondensatpumpe zurückgepumpt wird. Sobald dagegen die Temperatur der Brennkraftma­ schine so weit gestiegen ist, daß eine nennenswerte Verdampfung des Kühlmittels auftritt, durchströmt der Dampf unter Umgehung der Bypassleitung die Dampfleitung und gelangt in den Kondensator. Unabhängig davon, ob der Kondensator eingeschaltet ist oder nicht, durchströmt jedoch das erwärmte Kühlmittel den Heizungswärme­ tauscher, der demgemäß stets von dem gesamten zirkulierenden Kühl­ mittel durchsetzt und daher sehr wirksam ist. Auch bei geringer Wärmeentwicklung der Maschine können also umständliche Wärmetau­ scherkonstruktionen vermieden werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren

Fig. 1 perspektivisch die gesamte Verdampfungs­ kühlung und deren

Fig. 2 eine mögliche Ausbildung des Kondensators wiedergibt.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist bei 1 die Brennkraftmaschine mit in Strömungsverbindung stehenden Kühlungsräumen 2 und 3 angedeu­ tet. Diese Kühlungsräume können verständlicherweise sowohl im Motor­ block als auch im Zylinderkopf vorgesehen sein. Von diesen Kühlungs­ räumen 2 und 3 führt die Dampfleitung 4, die zumindest bereichsweise fallend verläuft, in den Kondensator 5, dem in üblicher Weise ein Lüfter 6 zugeordnet ist. Im Zuge der Dampfleitung 4 liegen der Ver­ dampfungs-Ölkühler 7 und der Flüssigkeits-Dampf-Abscheider 8, von dessen Flüssigkeitsausgang die den Kondensator 5 gleichsam kurz­ schließende oder überbrückende Bypassleitung 9 abgeht. Sie mündet in den Mischbehälter 10 ein, und zwar unterhalb des Flüssigkeits­ spiegels 11 in demselben, so daß in Verbindung mit zumindest einem Schwallblech 12 auch bei hohen Querbeschleunigungen eines mit der Maschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs die Kondensatleitung 13 über die Kondensatpumpe 14 in ausreichendem Maße mit Kondensat, nämlich im Kondensator kondensierter Kühlflüssigkeit, gespeist wird.

Der eigentliche Kühl- oder Heizkreislauf wird geschlossen durch den Heizungswärmetauscher 15 üblichen und daher nicht zu beschreibenden Aufbaus, der zwischen der Einmündung der Kondensatleitung 13 in die Kühlräume 2 und 3 der Brennkraftmaschine einerseits und dem Getrie­ be-Ölkühler 16 andererseits angeordnet ist. Dieser Ölkühler 16 dient zur Kühlung des Öls eines der Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Öl­ kreislaufs.

Wie bereits ausgeführt, sind wesentliche Bestandteile der beschrie­ benen Anordnung, nämlich hier die Kühlungsräume 2 und 3, der Ab­ scheider 8 sowie der Kondensator 5, im kalten Zustand der Maschine nicht vollständig mit flüssigem Kühlmittel gefüllt, sondern nur zu etwa 40 bis 90% Volumenanteil. Das bedeutet, daß das beschriebene abgeschlossene Kühlsystem im übrigen mit Luft gefüllt ist, die beim Erhitzen des Kühlmittels, insbesondere beim Verdampfen desselben, aus den teilweise gefüllten Räumen herausgedrückt wird. Sie wird dann aufgenommen von dem Ausgleichsbehälter 17, der durch die Membran 18 in zwei Teilräume gegensinnig veränderlichen Volumens unterteilt ist. Dargestellt sind die Verhältnisse bei warmer Maschine, d. h. bei Dampfbildung; man erkennt, daß der unterhalb der Membran liegende Raum von Luft erfüllt ist. Bei kalter Maschine kann die Membran dagegen auf der Wand des Ausgleichsbehälters 17 auflie­ gen.

Der Ausgleichsbehälter 17 steht über je eine Be- oder Entlüftungs­ leitung 18 bzw. 20 mit denjenigen Teilvolumen von Kondensator 5 und Mischbehälter 10 in Verbindung, die bei kalter Maschine nicht von Kühlflüssigkeit erfüllt sind. Die Entlüftungsleitung 20 garantiert den Transport blasenfreien flüssigen Kühlmittels zur Pumpe 14.

Die Füllung des beschriebenen Kühlsystems mit flüssigem Kühlmittel kann bei kalter Maschine zentral beispielsweise vom Zylinderkopf­ deckel her erfolgen. Damit auch im Kondensator ein Luftvolumen ver­ bleibt, also eine "Teilflutung" desselben sichergestellt ist, mündet die Dampfleitung zweckmäßigerweise in einen mittleren oder unteren Bereich des Kondensators ein. Dies wird im folgenden anhand Fig. 2 erläutert, die eine zweckmäßige Kondensatorausbildung zeigt: Die wiederum mit 4 bezeichnete Dampfleitung mündet unmittelbar oberhalb der Trennwand 20 in den allgemein mit 21 bezeichneten, ferner die Querrohre 22 enthaltenden Kondensator ein. Die oberhalb der Quer­ wand 20 liegenden Rohre werden in der Figur von rechts nach links, die darunterliegenden Rohre von links nach rechts entsprechend dem Pfeil durchströmt; es liegt also eine Richtungsänderung vor. Bei Eindringen des Kühlmittels in den unteren Kasten 23 liegt bereits flüssiges Kühlmittel vor, das die Luft, die zuvor beim Füllen des Kondensators 21 über die Leitung 4 im Kondensator verblieben war, durch die Entlüftungsleitungen 24 herausdrückt zu dem in Fig. 1 bei 17 angedeuteten Ausgleichsbehälter.

Das Kondensat gelangt in den dem Behälter 10 in Fig. 1 entsprechen­ den Mischbehälter 25 und von dort zur Kondensatpumpe, die aber in den Mischbehälter auch integriert sein kann.

Wenn es aus Sicherheitsgründen auch zweckmäßig sein kann, beispiels­ weise zur Sicherstellung einer Notkühlung bei Pumpenausfall in Strö­ mungsrichtung hinter der Kondensatpumpe ein Rückschlagventil vorzu­ sehen, wird doch aus der Beschreibung deutlich, daß die erfin­ dungsgemäße Verdampfungskühlung alle ihre günstigen Eigenschaften allein durch Ausnutzung von Druck- oder Strömungsverhältnissen, also nicht durch Einsatz von insbesondere thermostatisch gesteuerten Schalteinrichtungen, erzielt.

Claims (9)

1. Verdampfungskühlung für eine Brennkraftmaschine mit vollständi­ gem Abschluß des Kühlmittels gegen die Umgebung, enthaltend zu­ mindest einen Kondensator zur Rückgewinnung flüssigen Kühl­ mittels aus verdampftem Kühlmittel, der bei kalter Maschine nur teilweise mit flüssigem Kühlmittel, im übrigen mit Luft gefüllt (teilgeflutet) ist, zumindest einen ebenfalls teilgefluteten Ab­ scheider im Zuge einer Dampfleitung zwischen Kühlräumen der Ma­ schine und dem Kondensator, eine Kondensatleitung zwischen dem Kondensator und den Kühlräumen und zumindest einen eine ela­ stisch nachgebende Wand enthaltenden Ausgleichsbehälter zur Auf­ nahme der vom verdampftem Kühlmittel im Betrieb der Maschine aus den teilgefluteten Einrichtungen verdrängten Luft, sowie mit zu­ mindest einem mit Kühlmittel gespeisten Heizungswärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfleitung (4) von den Kühl­ räumen (2, 3) der Maschine (1) in solcher Höhe abgeht, daß sie auch erhitztes flüssiges Kühlmittel führt, sich zwischen dem Flüssigkeitsausgang des Abscheiders (8) und der Kondensatleitung (13) eine den Kondensator (5) überbrückende Bypassleitung (9) für flüssiges Kühlmittel erstreckt und der Heizungswärmetauscher (15) im Zuge der Kondensatleitung (13) liegt.

2. Verdampfungskühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (9) auf der Seite der Kondensatleitung (13) in einen einer Kondensatpumpe (14) vorgeschalteten Mischbehälter (10) einmündet.

3. Verdampfungskühlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischbehälter (10) zumindest ein senkrechtes Schwallblech (12) enthält und die Bypassleitung (9) nahe dem Boden des Misch­ behälters (10) endet.

4. Verdampfungskühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennnzeichnet, daß Entlüftungsleitungen (19, 20) von einzelnen Einrichtungen, wie dem Mischbehälter (10), in den Ausgleichs­ behälter (17) führen.

5. Verdampfungskühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Getriebe-Ölkühler (16) für ein der Ma­ schine (1) zugeordnetes Getriebe in der Kondensatleitung (13) in Strömungsrichtung vor dem Heizungswärmetauscher (15) liegt.

6. Verdampfungskühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdampfungs-Ölkühler (7) in der Dampf­ leitung (4) in Strömungsrichtung vor dem Abscheider (8) liegt.

7. Verdampfungskühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfleitung (4) in Richtung auf den Kondensator (5) fallend verläuft und in einen mittleren oder un­ teren Bereich desselben einmündet.

8. Verdampfungskühlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem horizontal durchströmten Kondensator (21) mit Umkehr der Strömungsrichtung die Dampfleitung (4) oberhalb der Abgangs­ stelle zumindest einer Entlüftungsleitung (24) und gegen diese abgeschottet (20) einmündet.

9. Verdampfungskühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn­ zeichnet durch eine elektrische Kondensatpumpe (14) in der Kon­ densatleitung (13) mit Nachlaufbetrieb nach Abschaltung der Brennkraftmaschine (1) .