DE4216600A1 - Verbrennungsmotor mit fluessigkeitskuehlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Flüssigkeitskühlung, ins­ besondere Wasserkühlung, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die meisten Verbrennungsmotoren für PKW und LKW′s sind heute wassergekühlt. Für die Umwälzung der Kühlflüssigkeit ist üblicherweise eine Wasserpumpe installiert, die über einen Keilriemen vom Motor angetrieben die Umwälzung des Wassers bewerkstelligt. Hier soll auf die vielen zusätzlichen bekannten Schaltungen des Wasserkreislaufs, um zum Beispiel die Heizung zu betreiben oder den Vergaser vorzuwärmen, nicht eingegangen werden. Selbstverständlich können alle die bekannten Vorteile auch mit der neuen Wasserkühlung erzielt werden.

Die bekannten wassergekühlten Motoren arbeiten ausschließlich in einem Tem­ peraturbereich, in dem eine Verdampfung vermieden wird. Wenngleich eine Verdampfungskühlung seit Jahren Stand der Technik ist, haben die wenigen be­ kannten Motoren mit Verdampfungskühlung praktisch keine Bedeutung mehr. Bei der normalen Wasserkühlung wird der Wärmeübergang von der heißen Zy­ linderwandung zum Kühlwasser über die turbulent strömende Flüssigkeit (Was­ ser, ein Wasser/Frostschutzmittel-Gemisch od. dgl.) bewerkstelligt. Um eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen, muß der Wasserstrom recht turbulent be­ wegt werden, was in höherem Drehzahlbereich einen erheblichen Energiebe­ darf für die Wasserpumpe bedeutet.

Bekannt ist eine Flüssigkeitskühlung für einen Verbrennungsmotor, die nach dem Wärmerohrprinzip arbeitet (DE-A 38 05 131). Diese Flüssigkeitskühlung arbeitet mit einem System von Kühlleitungen und -räumen im Motorblock, das großteilig nicht mit Flüssigkeit, sondern mit Dampf gefüllt ist, wobei das dadurch realisiert wird, daß bei dem teilweise mit Flüssigkeit gefüll­ ten System der Luftraum oberhalb der Flüssigkeit weitgehend evakuiert und das System dann hermetisch geschlossen wird. Dieses nach der Wärmerohrtech­ nik arbeitende System ist zwar recht vorteilhaft, was die Kühlleistung be­ trifft, es erfordert aber Umbauarbeiten am Motorblock, die eine Nachrüst­ barkeit be- bzw. verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit Flüs­ sigkeitskühlung anzugeben, der eine höhere Kühlleistung mit möglichst ein­ fachem Aufbau des Kühlsystems erreicht, ohne daß dabei besondere Umbauar­ beiten am Motorblock erforderlich sind.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Durch den Einsatz dieser Neuerung wird die Mo­ torkühlung sehr viel preisgünstiger. Es kann auf die Wasserumwälzpumpe in bekannter Art verzichtet werden, auch braucht das störanfällige Schaltele­ ment "Wasserthermostat" nicht mehr eingesetzt zu werden. Durch die Anordnung des Wasserkreislaufes wird - vereinfacht ausgedrückt - in der kalten Jahres­ zeit und bei geringer Belastung des Motors, vor allen Dingen im Stadtver­ kehr, eine ähnliche Wasserkühlung wie bisher bewerkstelligt. Bei höherer Last wird im Motor die wesentliche Kühlung durch Verdampfung der Kühlflüssig­ keit und anschließendes Kondensieren erzielt. Dies geschieht alles ohne Regelgeräte.

Im Grunde genommen wird bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit Flüs­ sigkeitskühlung vom Grundprinzip des Wärmerohrs nach wie vor Gebrauch ge­ macht, wenngleich es hier nicht notwendig ist, den Leerraum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zu evakuieren. Das kann gemacht werden, muß aber nicht. Was man im einzelnen hier tut, hängt auch von der Zusammensetzung der Kühl­ flüssigkeit, die verwendet wird, ab. An sich reicht es eben aus, ohne zu­ sätzliches evakuieren mit nur zum - kleinen - Teil gefülltem Kühlsystem zu fahren, da Wasser unter normalem Druck bei Meereshöhe 373° K siedet, so daß eine im Automobilbau allgemein übliche Temperatur schon rein physika­ lisch zur Verfügung steht. Praktische Messungen an einem Versuchsmotor ha­ ben ergeben, daß diese Art der Kühlung einen wesentlich höheren Kühleffekt hat als die bekannte reine Flüssigkeitskühlung durch Umpumpen von Wasser. Durch den Effekt, daß überall im Motor an den heißesten Stellen als erstes Wasser verdampft, also Blasenbildung auftritt, ist eine gleichmäßige Küh­ lung gerade des thermisch problematischen Zylinderkopfs möglich.

Im ganzen System tritt ein Wärmeausgleich von ganz alleine ein, da der Wasserdampf natürlich an kälteren Partien wieder kondensiert oder aber auch im Kühlwasser selbst kondensiert. Dies alles geschieht physikalisch ohne den zusätzlichen Einsatz von Regel- und Steuerorganen.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ver­ brennungsmotors sind Gegenstand der Unteransprüche. Im übrigen wird der Ver­ brennungsmotor im Vergleich mit dem Stand der Technik anhand der Zeich­ nung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Kreislauf eines erfindungsge­ mäßen Verbrennungsmotors mit Flüssigkeitskühlung und

Fig. 2 in schematischer Darstellung den Kreislauf einer bislang bekann­ ten, reinen Flüssigkeitskühlung.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten, bekannten Verbrennungsmotor mit einer reinen Flüssigkeitskühlung befindet sich ein System von Kühlleitungen und -räumen 1 im Motorblock 2 des Verbrennungsmotors. Daran ist über eine un­ tere Zulaufleitung 3 und eine obere Rücklaufleitung 4 ein Kühler 5 mit Küh­ lerventilator 6 angeschlossen. Die im Kreis laufende Strömung im System wird von einer Wasserpumpe 7 aufrechterhalten, die normalerweise in der Zu­ laufleitung 3 angeordnet ist. Über eine zwischen der Zulaufleitung 3 und der Rücklaufleitung 4 verlaufende Bypassleitung 8 kann zu Beginn des Ar­ beitens des Verbrennungsmotors die Kühlflüssigkeit in einem inneren Kreis­ lauf geführt werden, so daß der Kühler S beim Aufwärmen des Verbrennungs­ motors nicht durchströmt wird. Das erlaubt eine kürzere Aufwärmzeit des Verbrennungsmotors, dazu sind Steuerventile 9, 10, ein Temperatursensor 11 und eine Steuereinrichtung 12 vorgesehen. Das alles ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Wesentlich ist, daß die Wasserpumpe 7 eine hohe Leistung haben muß, da jedenfalls bei hoher Motorleistung eine hohe Umwälzgeschwindigkeit realisiert werden muß bei wegen des notwendigen Wärme­ überganges hoher Turbulenz in der Flüssigkeitsströmung.

Fig. 1 zeigt nun den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor zunächst mit all den Bestandteilen, die zuvor schon beschrieben worden sind, jedoch ohne die Steuerventile 9, 10, ohne den Temperatursensor 11 und ohne die Steuer­ einrichtung 12.

Außerdem ist die Wasserpumpe 7 hier sehr viel weniger leistungsstark aus­ geführt als beim Stand der Technik gemäß Fig. 2. Das wird im einzelnen noch später erläutert.

Wesentlich ist für den in Fig. 1 dargestellten Verbrennungsmotor nun, daß der Gesamtkreislauf im kalten und warmen Zustand nur zum Teil mit Flüssig­ keit gefüllt ist. Das ist in Fig. 1 durch unterschiedliche zeichnerische Darstellung versucht worden darzustellen. Außerdem ist vorgesehen, daß der Gesamtkreislauf einschließlich Kühler 5 im kalten und warmen Zustand nur zum Teil mit Flüssigkeit gefüllt ist, daß die obere Rücklaufleitung 4 so angeordnet und die Bypassleitung 8 so an die Rücklaufleitung 4 angeschlossen ist, daß in den Kühler 5 durch die Rücklaufleitung 4 nur oder jedenfalls primär nur Dampf eintritt. Der Gesamtkreislauf ist der Kreislauf einschließ­ lich des Kühlers 5. Dieses System hat folgende Funktion:

Bei kaltem Verbrennungsmotor nach dem Start, aber auch im Winter bzw. im Kurzstreckenverkehr wird der Kühlkreislauf nur durch die Bypassleitung 8 geführt. Hier wird eine reine Flüssigkeitskühlung realisiert, wobei die För­ derleistung der Wasserpumpe 7 in diesem Fall natürlich sehr viel kleiner sein kann als bisher. Der Kühler 5 wird bei dieser Betriebsweise nicht durch­ strömt, da das flüssige Kühlmittel von selbst nur in der Bypassleitung 8 flüssig nach unten strömt.

Bei höherer angeforderter Motorleistung, beispielsweise also beim Sommer­ betrieb oder bei hoher Geschwindigkeit, bilden sich im Kühlmittel an den heißesten Stellen im Motorblock Dampfblasen. Diese kondensieren zunächst noch in den kühleren Flüssigkeitsbereichen in der Flüssigkeit selbst, spä­ ter aber bildet sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ein Dampfpolster.

Der Dampf strömt über die Rücklaufleitung 4 hinauf an den Kopf des Kühlers 5 und kondensiert dann regulär im Kühler 5. Der Kühler 5 arbeitet also nicht als Durchströmungskühler, sondern als Kondensationskühler, d. h. durch die Kühlluft durch Fahrtwind und/oder Gebläse wird der am Kopf in den Kühler 5 eintretende Dampf im Kühler 5 kondensiert, das Kondensat läuft an den Fuß des Kühlers 5 zurück und tritt dort wieder in die Zulaufleitung 3 und da­ mit in den Kreislauf zurück ein.

Am Motorblock 2 des Verbrennungsmotors muß man für dieses System einer Flüssigkeitskühlung also überhaupt keine Änderung vornehmen, auch der Küh­ ler 5 kann unverändert bleiben, lediglich die Verbindungsleitungen müssen geändert und ergänzt werden. Im übrigen kann man auf die thermostatische Steuerung und die dazu gehörenden Ventile und Sensoren völlig verzichten, da sich das System über die Flüssigkeit/Dampfrelation ganz von selbst re­ gelt. Man hat also ein kombiniertes Flüssigkeits-Kühlsystem mit einem Ver­ dampfungs-Kühlsystem unter Nutzung der Funktionsprinzipien eines Wärmerohrs. Die exzellenten Ergebnisse hinsichtlich Kühlleistung und Gleichmäßigkeit der Kühlung, die bei der Verdampfungskühlung realisiert werden, werden mit den Vorteilen des klassischen Flüssigkeits-Umlaufsystems kombiniert.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich konstruktiv weiter dadurch aus, daß die Rücklaufleitung 4 vom Motorblock 2 aus zum An­ schluß der Bypassleitung 8 hin abfallend und von dort aus zum Kühler 5 hin ansteigend verläuft. Man hat also hier eine Art T-Stück in entsprechen­ der Anordnung, um ein Hinauflaufen von Flüssigkeit in das Kopfstück des Küh­ lers 5 mit Sicherheit zu vermeiden. Ein weiteres kann man dadurch tun, daß der Anschlußpunkt der Rücklaufleitung 4 am Kühler 5 höher liegt als der höchste Punkt der Kühlleitungen und -räume 1.

Um eine Flüssigkeitsfüllung des nur im Bypasskreis geschlossenen Kühlsystems bei kaltem Verbrennungsmotor zu gewährleisten, kann es sich empfehlen, daß am tiefsten Punkt von Bypassleitung 8 und Zulaufleitung 3 ein Zwischenspeicher 13 für Kühlflüssigkeit vorgesehen ist. Das ist in Fig. 1 angedeutet. Man kann hier außerdem vorsehen, insoweit aber in der Zeichnung nicht dar­ gestellt, daß zwischen dem Anschlußpunkt der Bypassleitung 8 an die Zulauf­ leitung 3 bzw. dem Zwischenspeicher 13 einerseits und dem Kühler 5 am unteren Ende andererseits ein Rückschlagventil angeordnet ist, das eine Flüssigkeitsströmung aus dem Kühler 5 hinaus erlaubt, eine Strömung in Gegenrichtung aber verhindert.

Um zu verhindern, daß bei der kleinen Wasserpumpe 7 Dampfblasenbildung in der Pumpe auftritt, kann der Wasserpumpe 7 ein kleiner Zusatzkühler 14 vor­ geordnet sein, wie das hier dargestellt ist. Das kann mit einem Lüfter kom­ biniert sein, man kann einen solchen kleinen Zusatzkühler 14 aber auch ähn­ lich wie einen Motor-Ölkühler realisieren. Im übrigen empfiehlt es sich, daß die Wasserpumpe 7 eine geringe Anschlußleistung von vorzugsweise 40 bis 50 W aufweist und, insbesondere, elektromotorisch angetrieben ist.

Claims (7)

1. Verbrennungsmotor mit Flüssigkeitskühlung, mit einem System von Kühllei­ tungen und -räumen (1) im Motorblock (2), einem daran über eine untere Zu­ laufleitung (3) und eine obere Rücklaufleitung (4) angeschlossenen Kühler (5), einer Wasserpumpe (7) in der Zulaufleitung (3) und einer zwischen der Zu­ laufleitung (3) und der Rücklaufleitung (4) verlaufenden Bypassleitung (8), dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtkreislauf einschließlich Kühler (5) im kalten und warmen Zustand nur zum Teil mit Flüssigkeit gefüllt ist und daß die obere Rücklaufleitung (4) so angeordnet und die Bypassleitung (8) so an die Rücklaufleitung (4) angeschlossen ist, daß in den Kühler (5) durch die Rücklaufleitung (4) nur oder jedenfalls primär nur Dampf eintritt.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rück­ laufleitung (4) vom Motorblock (2) aus zum Anschluß der Bypassleitung (8) hin abfallend und von dort aus zum Kühler (5) hin ansteigend verläuft.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußpunkt der Rücklaufleitung (4) am Kühler (5) höher liegt als der höchste Punkt der Kühlleitungen und -räume (1).

4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß am tiefsten Punkt von Bypassleitung (8) und Zulaufleitung (3) ein Zwischenspeicher (13) für Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem Anschlußpunkt der Bypassleitung (8) an die Zulauflei­ tung (3) bzw. dem Zwischenspeicher (13) einerseits und dem Kühler (5) am unteren Ende andererseits ein Rückschlagventil angeordnet ist, das eine Flüssigkeitsströmung aus dem Kühler (5) hinaus erlaubt, eine Strömung in Gegenrichtung aber verhindert.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wasserpumpe im Kreislauf ein kleiner Zusatzkühler (14) vorge­ ordnet ist.

7. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wasserpumpe (7) eine geringe Anschlußleistung von vorzugsweise ca. 40 bis 50 W aufweist und, insbesondere, elektromotorisch angetrieben ist.