DE4231846C2 - Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Aus der DE-A 41 39 766 ist ein gattungsgemäßes Ver­ dampfungskühlsystem bekannt. Es weist einen Vorrats­ behälter für flüssiges Kühlmittel auf, welcher über eine Stichleitung an der Rücklaufleitung vom Kondensator zur Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Neben der Aufnahme des flüssigen Kühlmittels ist in dem Vorratsbehälter noch ein Luftvolumen vorgesehen, welches über eine Ent­ lüftungsleitung mit dem Luftsammelraum im Kondensator verbunden ist. Weiterhin besitzt der Vorratsbehälter einen Einfülldeckel zum Einfüllen des Kühlmittels in den Kreislauf.

Daneben ist parallel geschaltet zum Vorratsbehälter und unabhängig von ihm ein Ausgleichsbehälter vorgesehen, dessen Volumen durch eine gas- und flüssigkeitsdichte Membran in zwei Volumina unterteilt ist. Das erste Volu­ men, das zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit bestimmt ist, ist ebenfalls über eine weitere Stichleitung mit der Rücklaufleitung vom Kondensator zur Brennkraftmaschine verbunden, während das zweite Volumen Luft enthält und hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.

Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß beim Ein­ tritt der Verdampfung der Kühlflüssigkeit die not­ wendigerweise vom Dampf verdrängte Flüssigkeit aus dem Kondensator sowohl in den Vorratsbehälter als auch in den Ausgleichsbehälter strömen kann. Hierbei ist dann nicht sichergestellt, daß nicht Luft- oder Gasblasen mitgeris­ sen werden und so in den Ausgleichsbehälter gelangen und sich dort festsetzen. Aufgrund des Aufbaus des Aus­ gleichsbehälters können sie hieraus jedoch nicht mehr entfernt werden, so daß sich im Endeffekt das im Aus­ gleichsbehälter für die Kühlflüssigkeit vorgesehene Volu­ men verringert. Damit kann letztendlich im Ausgleichs­ behälter nicht genügend Kühlflüssigkeit aufgenommen wer­ den mit der Folge, daß diese Kühlflüssigkeit nicht mehr aus dem Kondensator verdrängt werden kann. Damit steht die zur Kondensation notwendige Fläche nicht mehr zur Verfügung mit der Folge, daß eine Überhitzung der Brenn­ kraftmaschine wegen ungenügender Kühlung eintreten kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ dampfungskühlsystem der eingangs genannten Art dahin­ gehend weiterzubilden, daß alle im System gesammelten oder sich während des Betriebes ansammelnden Gase sicher aus dem Kühlsystem abgeführt werden können, ohne daß seine Funktionsfähigkeit darunter leidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Durch die Hintereinanderschaltung des Vorratsbehälters und des Aus­ gleichsbehälters wird die vom Dampf verdrängte Kühl­ flüssigkeit über den Vorratsbehälter in den ansonsten praktisch leeren Ausgleichsbehälter geschoben, der über Ventile mit der Umgebung in Verbindung steht. Damit wird dort kein nennenswerter Gegendruck aufgebaut, insbeson­ dere, wenn das Überdruckventil bevorzugt bei einem Über­ druck von 0 bis 1 bar, insbesondere bei 0,5 bar über dem Umgebungsdruck und das Unterdruckventil bei einem Diffe­ renzdruck von 0,1 bis 0,3 bar gegenüber dem Umgebungs­ druck öffnet. Über die in der Entlüftungsleitung einge­ baute Drossel wird sichergestellt, daß praktisch nur Gase (Verbrennungsgase und Luft) in den Vorratsbehälter ge­ langen und im wesentlichen keine Flüssigkeitsdämpfe. Da­ mit wird erreicht, daß bei einem Ausschieben von Kühl­ flüssigkeit über den Vorratsbehälter in den Ausgleichs­ behälter die sich im Vorratsbehälter in der Zwischenzeit angesammelte Luft mitgerissen wird in den Ausgleichs­ behälter, um dort bis zum Überschreiten des geringen Druckes des Überdruckventils zwischengelagert zu werden und anschließend ausgeschoben zu werden.

Aus der DE-A 29 44 865 ist es bekannt, einen Vorrats­ behälter und einen Ausgleichsbehälter hintereinander zu schalten. Jedoch handelt es sich hier um ein flüssig­ keitsgekühltes Kühlsystem für Brennkraftmaschinen, bei dem zum Ausscheiden der Gase aus dem Kühlsystem der Vor­ ratsbehälter über eine Zuführ- und Abführleitung ständig von Kühlmittel durchströmt wird. Diese Anordnung ist je­ doch bei Verdampfungskühlsystemen nicht anwendbar, da bei Verdampfungskühlsystemen der Vorteil der Verdampfungs­ kühlung, einen verringerten Warmlauf und eine optimale Betriebstemperatur bei Teillast nur dann erreicht werden können, wenn sichergestellt ist, daß das rückgekühlte Kondensat mit nahezu Siedetemperatur der Brennkraft­ maschine wieder zugeführt wird. Jedes Abkühlen des Kon­ densates auf niedrigere Temperaturen kühlt die Brenn­ kraftmaschine zu stark aus, so daß sie ihre optimale Be­ triebstemperatur nicht mehr erreichen kann mit der Folge, daß der Brennstoffverbrauch und damit auch die Emissions­ werte ansteigen.

Die Unteransprüche 2 bis 8 stellen vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung dar.

Das Volumen des Ausgleichsbehälters sollte so gewählt werden, daß die gesamte im Kondensator bei kalter Brenn­ kraftmaschine vorhandene Flüssigkeitsmenge problemlos aufgenommen werden kann, ohne daß auf das Volumen des Vorratsbehälter zu­ rückgegriffen werden muß.

Das Volumenverhältnis von Vorratsbehälter zu Ausgleichs­ behälter gemäß Anspruch 4 hat sich als besonders vorteil­ haft erwiesen. Dadurch wird sichergestellt, daß immer ge­ nügend Kühlflüssigkeit in der Rücklaufleitung für die Kondensatpumpe vorhanden ist, so daß diese niemals trocken läuft.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 hat den Vorteil, daß die beim Öffnen des Überdruckventils ausgeschobene Luft und der eventuell darin vorhandene Kühlflüssigkeitsdampf auskondensieren und in den Ausgleichsbehälter zurückge­ führt werden kann, so daß in die Umgebung keine Kühlflüs­ sigkeit entweicht, was auf Dauer zu einem Kühlmittelver­ lust führen würde.

Das Vorsehen eines Überdruckventils am Vorratsbehälter dient als Sicherheitsventil um den höchst zulässigen Druck im gesamten Kühlsystem zu begrenzen. Sinnvollerweise sollte das Überdruckventil einen Öffnungsdruck aufweisen, der deutlich über dem des Überdruckventils am Ausgleichs­ behälter liegt, beispielsweise im bevorzugten Fall 1,5 bar über Umgebungsdruck.

Um in dem Kondensator keine Flüssigkeit rückzukühlen, welche bei der geringen Strömungsgeschwindigkeit durch den Kondensator sehr stark rückgekühlt würde, wird die Weiterbildung nach Anspruch 7 vorgeschlagen.

Die Weiterbildung nach Anspruch 8 erhöht die Sicherheit für die Kondensatpumpe, keine Luft bzw. Dampf anzusaugen, wenn hohe Querbeschleunigungen auf das Kühlsystem wirken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Kühl­ systems im kalten Zustand;

Fig. 2 das Kühlsystem nach Fig. 1 im betriebswarmen Zustand.

In den beiden Abbildungen ist schematisiert ein Ver­ dampfungskühlsystem dargestellt. Es besteht aus dem Zylinder-Kurbelgehäuse 1 und dem Zylinderkopf 2 einer sonst nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine 3, die mit Kühlräumen bzw. Kühlkanälen 4, 5 versehen ist.

Am höchsten Punkt der Kühlräume 5 im Zylinderkopf 2 zweigt eine Vorlaufleitung 6 ab. Diese führt zu einem Dampfabscheider 7. In dem Dampfabscheider 7 wird aus dem Flüssigkeits-Dampfgemisch die Flüssigkeit ausgeschieden und der Dampf über die Vorlaufleitung 8 zu einem als Kon­ densator arbeitenden Wärmetauscher 11 geführt. Die ausge­ schiedene Flüssigkeit verläßt den Dampfabscheider 7 über die Leitung 9.

Der Wärmetauscher 11 ist im vorliegenden Beispiel als Querstromwärmetauscher aufgebaut. Auf seiner Kaltseite ist die Rücklaufleitung 12 angeschlossen, die zu den Kühlräumen 4 im Zylinder führt. Für den Flüssig­ keitstransport ist in der Rücklaufleitung 12 eine Konden­ satpumpe 13 vorgesehen. Mit der Rücklaufleitung 12 ver­ bunden ist ebenfalls die Leitung 9 vom Dampfabscheider 7.

Ein Vorratsbehälter 14 ist an der Rücklaufleitung 12 über eine Leitung 15 angeschlossen. Der Vorratsbehälter 14 bildet den höchsten Punkt des gesamten Kühlsystems und weist einen Deckel 16 auf, in dem ein nicht näher darge­ stelltes Überdruckventil eingebaut ist.

Weiterhin ist eine Entlüftungsleitung 17 vorgesehen, die vom höchsten Punkt des Wärmetauschers 11 zu einem Hoch­ punkt im Vorratsbehälter 14 führt. In dieser Entlüftungs­ leitung 17 ist im Bereich des Wärmetauschers 11 eine Drossel 18 eingebaut.

Ein Ausgleichsbehälter 19 ist über eine Verbindungslei­ tung 20 mit dem Vorratsbehälter 14 in Reihe geschaltet. Auch der Ausgleichsbehälter 19 weist einen Deckel 21 auf, in dem ein nicht näher dargestelltes Über-/und Unter­ druckventil eingebaut ist. Beide Ventile sind mit einer Leitung 22 verbunden, die über eine Filterpatrone 23 mit der Umgebung in Verbindung steht. Die Leitung 22 ist da­ bei so verlegt, daß sie gekühlt werden kann, beispiels­ weise dadurch, daß bei in einem Fahrzeug eingebauter Brennkraftmaschine die Leitung 22 auf der Anströmseite des Wärmetauschers 11 angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem arbeitet folgendermaßen. Bei kalten Motor 3 (Fig. 1) sind die Kühlkanäle 4 und 5, die Vorlaufleitung 6, der Dampfabscheider 7, die Lei­ tung 8, der Wärmetauscher 11, die Rücklaufleitung 12, die Verbindungsleitung 15 sowie die Leitung 20 vollständig sowie der Vorratsbehälter 14 im wesentlichen vollständig mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Die Entlüftungsleitung 17 ist vollständig sowie der Ausgleichsbehälter 19 prak­ tisch komplett mit Luft gefüllt. Luft befindet sich ebenfalls im nicht von der Kühlflüssigkeit eingenommenen oberen Raum im Vorratsbehälter 14 (Die mit Flüssigkeit gefüllten Räume sind dunkel schraffiert gekennzeichnet, die luftgefüllten sind weiß in Fig. 1).

Sobald die Brennkraftmaschine zu arbeiten beginnt, gibt sie Wärme an die Kühlflüssigkeit ab. Bei entsprechender Wärmezufuhr beginnt die Kühlflüssigkeit innerhalb des Mo­ tors zu verdampfen. Das Flüssigkeits-/Dampfgemisch schiebt nun die Kühlflüssigkeit aus der Vorlaufleitung 6, dem Dampfabscheider 7 sowie der Leitung 8 und dem Wärme­ tauscher 11 über die Leitung 15 und den Vorratsbehälter 14 in die Leitung 20 und von dort in den Ausgleichsbehäl­ ter 19 (Fig. 2). Der Druck im Ausgleichsbehälter 19 wird über das Überdruckventil im Deckel 21 auf relativ geringe Druckwerte begrenzt. Die im Ausgleichsbehälter befindli­ che Luft kann beim Öffnen des Überdruckventils über die Leitung 22 und die Filterpatrone 23 in die Umgebung ent­ weichen.

In den Dampfabscheider 7 wird eine Trennung von Flüssig­ keit und Dampf vorgenommen, während der Dampf mit mitge­ schleppter Luft und Gasen aus nicht vollständig dichtem Zylinderkopf/Zylinderkopfdichtung über die Leitung 8 in den Wärmetauscher 11 befördert werden.

Da bei einem Lastwechsel aus höherer Last oder bei Schub­ betrieb der Wärmeanfall sinkt bzw. Null wird, füllt sich der Wärmetauscher 11 wieder mit Kühlflüssigkeit. Dadurch werden die im Wärmetauscher 11 vorhandenen Gase über die in den Vorratsbehälter 14 ausgeschoben. Die in der Ent­ lüftungsleitung 17 angeordnete Drossel minimiert hierbei das Eindringen von Dampf oder Flüssigkeit in die Entlüf­ tungsleitung und gewährleistet damit das Auskondensieren des eingedrungenen Dampfes im Vorratsbehälter 14. In Fig. 2 ist die Kennzeichnung der Räume wie in Fig. 1 und zusätzlich sind die dampfgefüllten Räume hell schraf­ fiert angelegt.

Wird als Wärmetauscher ein Querstromwärmetauscher vorge­ sehen und die Brennkraftmaschine in ein Fahrzeug einge­ baut, so ist es sinnvoll, beide Flüssigkeitssammelräume des Wärmetauschers 11 in die Rücklaufleitung 12 münden zu lassen. Dadurch wird verhindert, daß bei hohen Querbe­ schleunigungen der Flüssigkeitsvorlauf vom Wärmetauscher 11 zur Rücklaufleitung 12 und damit zur Kondensatpumpe 13 unterbrochen wird.

Die Kondensatpumpe 13 ist bevorzugt elektrisch und damit unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ange­ trieben.

Ein Fühler 24 in der Vorlaufleitung 6 bzw. im Zylinder­ kopf 2 schaltet die Kondensatpumpe 13 beim Einschalten der Zündung ein, wenn er eine Temperatur mißt, die über der Verdampfungstemperatur liegt. Ebenso wird sie beim Ausschalten der Zündung solange weiterbetrieben wie die Temperatur des Dampfgemisches in der Vorlaufleitung 6 bzw. im Zylinderkopf über der Verdampfungstemperatur liegt.

Ein Fühler 25 in der Leitung 8 dient zur Anzeige des Überhitzungszustandes, indem er eine entsprechende An­ zeige schaltet.

Ein Fühler 26 im Wärmetauscher 11 überwacht dessen Tempe­ ratur und schaltet einen nicht gezeigten Elektrolüfter oder eine Flüssigkeitskupplung eines vom Motor angetrie­ benen Lüfters ein, wenn eine vorgegebene Temperatur über­ schritten wird. Er dient also dazu, eine ausreichende Kondensationsrate sicherzustellen.

Ein Temperaturfühler 27 in der Rücklaufleitung 12 in der Nähe des Ausganges aus dem Wärmetauscher 11 dient eben­ falls als Schutz gegen Überhitzung und schaltet bei Über­ schreiten einer bestimmten Temperatur eine entsprechende Warneinrichtung an.

Die konkreten Schaltpunkte der einzelnen Fühler hängen von der Druckauslegung des gesamten Systems ab.

Versuche mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem haben bei Verbindungsleitungen mit kreisrunden Querschnitt ergeben, daß die Querschnitte der Vorlaufleitung 6 und der Leitung 8, also der dampfführenden Leitungen am größten gewählt werden müssen, während die kondensatführenden Leitungen 9, 12, 15, 20 in ihrem Durchmesser gleich sein können und etwa nur halb so groß wie der der dampfführenden Leitun­ gen. Die Entlüftungsleitung 17 sowie die Leitung 12′ sind nochmals im Durchmesser verringert, da in der Entlüftungsleitung 17 nur Luft und die Leitung 12′ nur als Sicherheitsleitung ausgelegt ist.

Das Volumen des gesamten Vorratsbehälters 14 kann die Hälfte oder weniger als die Hälfte des Volumens des Ausgleichs­ behälter 19 betragen, wobei das Volumen des Ausgleichsbe­ hälters 19 mindestens so groß sein soll wie das Volumen des Wärmetauschers 11.

Mit diesen Maßnahmen wird ein Verdampfungskühlsystem ge­ schaffen, bei dem eine ausreichend gute Entlüftung er­ zielt werden kann und die durch eine undichte Zylinder­ kopfdichtung oder durch Mikrorisse im Zylinderkopf einge­ leiteten Gase aus dem Kühlsystem wieder ausgeschieden werden können. Dadurch wird sicher vermieden, daß sich im Wärmetauscher 11 Gas-/Luftnester bilden, die für die Kondensation des Dampfes nicht zur Verfügung stehen und damit die Wirksamkeit des Wärmetauschers 11 beeinflussen.

Diese Beeinflussung kann bis zu einer Überhitzung der Brennkraftmaschine gehen.

Claims (8)

1. Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine (3), bestehend aus innerhalb der Brennkraftmaschine (3) angeordneten, mit Kühlflüssigkeit vollständig gefüllten Kühlräumen (4, 5), einer Vorlaufleitung (6), die den höchsten Punkt der Kühlmittelräume (4, 5) mit einem Kondensator (11) verbindet, einer Rücklaufleitung (12) vom Kondensator (11) zur Brennkraftmaschine (3), einer Kühlmittelpumpe (13), die in der Rücklaufleitung (12) eingebaut ist, sowie einen Vorrats- und Ausgleichsbehälter (19) zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit, wobei vom Konden­ sator (11) zum Vorratsbehälter (14) eine Ent­ lüftungsleitung (17) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichsbehälter (19) in Reihe zum Vorratsbehälter (14) hinter die­ sem angeschlossen ist, daß der Ausgleichsbehälter (19) mit einem Deckel (21) verschlossen ist), der ein Überdruck- und Unterdruckventil enthält und daß in der Entlüftungsleitung (17) in unmittelbarer Nähe zum Kondensator (11) eine Drossel (19) einge­ baut ist.

2. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (20) vom Vorratsbehälter (14) zum Ausgleichsbehälter (19) als Überlaufleitung am Vorratsbehälter (14) ange­ ordnet ist und zum tiefsten Bereich des Ausgleichs­ behälters (19) führt.

3. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Aus­ gleichsbehälters (19) mindestens gleich dem Volumen des Kondensators (11) ist.

4. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Vor­ ratsbehälters (14) wesentlich kleiner, insbesondere kleiner als die Hälfte des Volumens des Ausgleichs­ behälters (19) ist.

5. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Überdruck- /Unterdruckventil des Ausgleichsbehälters eine Ent­ lüftungsleitung (22) angeschlossen ist, die gekühlt wird.

6. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (14) mit einem Befülldeckel (16) versehen ist, in dem ein Überdruckventil eingebaut ist, dessen Öffnungsdruck über dem des Überdruckventils im Aus­ gleichsbehälter (19) liegt.

7. Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorlaufleitung (6) ein Dampfabscheider (7) vorgesehen ist, dessen Flüssigkeitsauslaßleitung (9) mit der Rücklauf­ leitung (12) verbunden ist.

8. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche mit einem Querstromkondensator, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sammelkästen des Kondensators auf ihrer Kaltseite mit der Rücklauf­ leitung (12) verbunden sind, wobei die Hauptauslaß­ leitung für die Kühlflüssigkeit mindestens einen doppelt so großen Querschnitt wie die andere Ver­ bindungsleitung (12) aufweist.