DE4342292A1 - Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein teilgeflutetes Ver­ dampfungskühlsystem nach dem Oberbegriff des 1. An­ spruchs.

Unter teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem wird ein Kühlsystem für Brennkraftmaschinen verstanden, bei dem bei stehender, kalter Brennkraftmaschine nicht sämtliche im Betrieb kühlmittelführende Räume mit Kühlflüssigkeit gefüllt sind, sondern die nicht gefüllten Räume mit Luft ausgefüllt werden. Dementsprechend weisen diese Kühl­ systeme in der Regel eine elektrisch angetriebene Konden­ satförderpumpe auf, mit der vor oder bei einem Kaltstart die Kühlräume der Brennkraftmaschine vollständig mit Kon­ densat aufgefüllt werden. Daneben kann während des Kalt­ starts und der anschließenden Warmlaufphase die Konden­ satförderpumpe stillgesetzt werden, um die Warmlaufphase zu verkürzen. Bekannt ist letzteres beispielsweise aus der Automobiltechnischen Zeitschrift 87 (1985, Heft 12, Seite 638/639).

Nachteilig ist es hierbei, daß bei einem Warmlauf das in der Brennkraftmaschine befindliche flüssige Kühlmittel zusammen mit den Bauteilen der Brennkraftmaschine aufge­ heizt wird. Durch die hohe Wärmekapazität des Kühlmittels (üblicherweise Wasser mit Frostschutzmittel) fließt ein großer Anteil der zur Aufheizung der Bauteile der Brenn­ kraftmaschine benötigten Wärme in das Kühlmittel.

Zur Senkung der Abgasemissionen und des Verbrauches ist es anzustreben, die Aufheizphase der Brennkraftmaschinen­ bauteile möglichst kurz zu gestalten. Eine Abschaltung der Umlaufpumpe bei vollgefluteten Kühlräumen der Brenn­ kraftmaschine bringt allerdings hier nur einen Teiler­ folg.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem teilgefluteten Verdampfungskühlsystem einer Brennkraft­ maschine Maßnahmen vorzuschlagen, um den Warmlauf noch weiter als bisher zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des 1. Anspruchs gelöst. Dadurch, daß während der Warmlaufphase überhaupt kein Kühlmittel in der Brennkraftmaschine bzw. deren Kühlräume vorhanden ist, wird eine hohe Bauteilerwärmung erreicht, ohne daß Wärme abgezogen wird. Somit verkürzt sich die Warmlauf­ phase nochmals erheblich. Werden in der Warmlaufphase bauteilkritische Temperaturen erreicht, so wird - sensor­ gesteuert - Kühlmittel zugeführt und so die Möglichkeit geschaffen, daß die überschüssige Wärme an das Kühlmittel abgeführt werden kann.

Die Unteransprüche 2 bis 8 stellen vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung dar und beschreiben insbesondere Maßnahmen, wie das Entleeren der Kühlräume vorrichtungs­ mäßig durchgeführt werden kann.

So ist es beispielsweise möglich - je nach Einbaulage der Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug und Verlegung der Rücklaufleitung -, ein selbsttätiges Leerlaufen der Kühl­ räume vorzusehen oder dies über ein Rückschlagventil und eine Entleerungsleitung zu erreichen, wobei das Rückschlagventil bei stehender Kondensatförderpumpe drucklos wird.

Andere Möglichkeiten bestehen darin, eine separate Ab­ saugpumpe oder eine Heizkreispumpe zum Entleeren der Kühlräume der Brennkraftmaschine vorzusehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine selbsttätige Entleerung;

Fig. 2 eine Variante der Anordnung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer separaten Entleerungspumpe;

Fig. 4 eine Variante zur Anordnung gemäß Fig. 3.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 mit Kühlräumen 1a im Zylinderkopf und 2a im Kurbelgehäuse 2 dargestellt. Die Kühlräume 1a, 2a sind Teil eines Verdampfungskühl­ systems, wie es beispielsweise aus der DE-A 40 01 208 be­ kannt ist. Dementsprechend ist eine Vorlaufleitung 3 vor­ handen, die die Kühlräume 1a des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine mit einem Dampfabscheider 4 verbindet, der einerseits eine Dampfausleitung 5 aufweist, die in einen Kondensator 6 mündet. Der Kondensator 6 ist als luftgekühlter Wärmetauscher aufgebaut und weist einen Lüfter 7 zur Erhöhung des Kühlluftstromes auf. Der im Kondensator 6 kondensierte Dampf wird als Kondensat zu einem Sammelbehälter 11 geleitet. In den Sammelbehälter 11 mündet auch die Kondensatabscheideleitung 13 aus dem Dampfabscheider. Daneben weist der Sammelbehälter eine Befüll-Leitung 8 auf, um das Kühlsystem mit Flüssigkeit zu füllen. Eine Entlüftungsleitung 9, die an ihrem freien Ende mit einer semipermeablen Membran verschlossen ist und die ein elektrisches Absperrventil 10 aufweist, dient zur Entlüftung des Kühlsystems über den Sammelbehälter 11.

Von der tiefsten Stelle des Sammelbehälters 11 aus führt die Rücklaufleitung 14 zu der tiefsten Stelle der Kühl­ räume 2a im Kurbelgehäuse 2. Zur Förderung des Kondensa­ tes dient die Kondensatförderpumpe 12, die als elektrisch antreibbare und ansteuerbare Pumpe ausgebildet ist. We­ sentlich ist, daß die Rücklaufleitung 14 vom Sammelbehäl­ ter 11 zu den Kühlräumen 2a auf einem niedrigeren Niveau als die tiefste Stelle der Kühlräume 2a verläuft.

Weiterhin ist in Fig. 1 noch eine Möglichkeit darge­ stellt, wie ein Heizkreislauf zum Beheizen eines nicht näher dargestellten Fahrgastraumes angeschlossen werden kann. Die Heizkreisvorlaufleitung 16 wird über einen Syphon 15 an die Kühlräume 2a angeschlossen. Zur Förde­ rung des flüssigen Kühlmittels dient die Heizungspumpe 17, die das angesaugte Kühlmittel durch die beiden Hei­ zungswärmetauscher 19 und 21 in die Heizungsrücklauflei­ tung 22 fördert. Die Heizungsrücklaufleitung 22 mündet in die Rücklaufleitung 14. Zur Steuerung des Durchflusses durch die Heizungswärmetauscher und damit zur Einstellung der Fahrgastraumtemperatur dienen die beiden Schalt­ ventile 18 und 20. Selbstverständlich müssen nicht zwei Heizungswärmetauscher für den Fahrgastraum vorgesehen werden. Genausogut ist es möglich, nur einen einzigen an­ zuschließen.

Wird die Brennkraftmaschine nach einem Betrieb abgestellt und kühlt dann langsam auf Umgebungstemperatur ab, so wird bei offenem Absperrventil 10 das Kühlmittel aus den Kühlräumen 1a und 2a über die Rücklaufleitung 14 und die im Stillstand nicht sperrende Kondensatförderpumpe 12 zu­ rücklaufen in den Kondensatsammelbehälter 11. Hierbei verhindert der Syphon 15 ein Leerlaufen des Heizungs­ kreislaufes.

Beim Starten der Brennkraftmaschine bleibt in Abhängig­ keit der Bauteiltemperatur die Kondensatförderpumpe 12 ausgeschaltet. Dadurch bleiben die Kühlräume 1a, 2a kühl­ mittelfrei, so daß eine schnelle Bauteilerwärmung und da­ mit eine Verkürzung der Warmlaufphase stattfindet. Nach einer bestimmten Betriebsdauer bzw. bei Erreichen vorge­ gebener Bauteiltemperaturen wird die Kondensatförderpumpe 12 eingeschaltet und fördert Kondensat aus dem Sammelbe­ hälter 11 in die Kühlräume der Brennkraftmaschine. Diese werden dann kontinuierlich mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Das Kühlmittel kann dann über die Vorlaufleitung 3 und den Dampfabscheider 4 über die Rücklaufleitung 13 zurück in den Sammelbehälter gelangen. Hierbei wird die Konden­ satförderpumpe 12 so gesteuert, daß nur ein äußerst ge­ ringer Kühlmittelumlauf stattfindet.

Je nach Belastung der Brennkraftmaschine wird deshalb das in den Kühlräume befindliche Kühlmittel zu sieden begin­ nen und dann als Dampfflüssigkeitsgemisch über die Vor­ laufleitung 3 zum Dampfabscheider 4 geleitet. Der Dampf gelangt über die Leitung 5 in den Kondensator 6, wo er kondensiert bzw. beim ersten Erwärmen die dort vorhandene Luft über den Sammelbehälter und das noch offene Absperr­ ventil 10 verdrängt. Sind sämtliche Räume dampfgefüllt und die Luft aus dem System entfernt, wird das Absperr­ ventil 10 geschlossen.

Der in Fig. 1 dargestellte Betriebszustand entspricht dem Vollastbereich, bei dem in der gesamten Brennkraft­ maschine ein Sieden der Kühlflüssigkeit stattfindet.

In Fig. 2 ist eine Variante des Kühlkreislaufes zu Fig. 1 dargestellt. Er unterscheidet sich dadurch, daß die Rücklaufleitung 14 nicht an der tiefsten Stelle der Kühl­ räume 2a im Kurbelgehäuse 2 mündet, sondern über den Lei­ tungsabschnitt 25 in die Kühlräume 1a des Zylinderkopfes. Dadurch kann nach Art einer Sprühanlage das Kühlmittel beim Befüllen des warmen Motors besser dosiert zugeführt werden. Während des Betriebes wird über den Leitungs­ abschnitt 25 sichergestellt, daß die Kühlräume 1a, 2a ständig mit flüssigem Kühlmittel gefüllt sind, so daß Sieden auftreten kann.

Um bei diesem Ausführungsbeispiel ein Leerlaufen der Kühlräume 1a, 2a im Stand bei abgeschalteter Brennkraft­ maschine zu ermöglichen, ist eine separate Entleerungs­ leitung 23 vorgesehen, die die tiefsten Stellen der Kühl­ räume 2a mit der Rücklaufleitung 14 verbindet. In dieser Entleerungsleitung 23 ist ein Rückschlagventil 24 einge­ baut, das zur Rücklaufleitung 14 hin öffnet, wenn sie drucklos wird, zu den Kühlräumen hin aber schließt. Da­ durch wird verhindert, daß die Kühlräume leerlaufen, so­ lange die Kondensatförderpumpe 12 arbeitet.

Die gezeigte Anordnung hat den Vorteil, daß ein selbst­ tätiges Leerlaufen der Kühlräume erzielt wird, daß aber durch die Zuführung des Kühlmittels im Zylinderkopf ein Abkühlen der Bauteile im Kurbelgehäuse - wie nach Fig. 1 - vermieden wird, so daß dadurch die Abgaswerte und auch die Verbrauchswerte nicht zum Ende der Warmlaufphase hin kurzzeitig durch die einsetzende Kühlung verschlechtert werden.

Die Ausführung nach den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich von den Vorschlägen nach den Fig. 1 und 2 da­ durch, daß in beiden Fällen eine Pumpe vorgesehen ist, die die Kühlräume leerfördert. Somit ist diese Anordnung unabhängig von der Lage der Rücklaufleitung 14, dementsprechend braucht die Heizkreisvorlaufleitung 16 nicht über einen Syphon angeschlossen zu werden.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 1 und 2 dadurch, daß in der Entlee­ rungsleitung 23 neben dem Rückschlagventil 24 eine Ent­ leerungspumpe 26 angeordnet ist. Damit diese Pumpe 26 nicht durch die Strömungswiderstände der stehenden Kon­ densatförderpumpe 12 fördern muß, ist die Entleerungslei­ tung 23 auf deren Saugseite an die Rücklaufleitung 14 an­ geschlossen.

Als weiteren Unterschied zu der Anordnung nach Fig. 2 weist Fig. 3 keinen Kondensatsammelbehälter 11 auf. Der Kondensatsammelbehälter 11 der Fig. 2 wurde in Fig. 3 in einen Überströmbehälter 11a und einen Vorratsbehälter 11b aufgeteilt. Der Überströmbehälter 11a ist benachbart zum Kondensator 6 angeordnet und dient dazu, das flüssige Kondensat aufzunehmen, wenn der Kondensator seine Arbeit aufnimmt, d. h. über die Zulaufleitung 5 Dampf angeliefert wird.

Der Vorratsbehälter 11b ist an höchster Stelle im Kühl­ kreis angeordnet und luftdicht verschließbar. Er stellt sicher, daß immer genügend flüssiges Kühlmittel/Kondensat im Betrieb der Brennkraftmaschine zum Konstanthalten des Flüssigkeitspegels innerhalb der Kühlräume der Brenn­ kraftmaschine zur Verfügung steht. Dementsprechend för­ dert die Kondensatförderpumpe 12 über die Rücklaufleitung 14 in den Vorratsbehälter 11b.

Je nach Lage der Rücklaufleitung 14 ist es selbstver­ ständlich möglich, das Rückschlagventil 24 ersatzlos zu streichen.

In Fig. 4 wurde die separate Entleerungspumpe 26 weg­ gelassen und statt dessen wird die Heizungspumpe 17 zum Entleeren der Kühlräume der Brennkraftmaschine herangezo­ gen. Damit die Kühlräume unabhängig von der Stellung der Schaltventile 18 und 20 vonstatten gehen kann, ist eine Bypassleitung 27 vorgesehen, die als Bypass zu den Wärme­ tauschern 19 und 21 dient, aber nicht mit dem Heizkreis­ rücklauf 22 verbunden ist, sondern wie die Entleerungs­ leitung nach Fig. 3, mit der Rücklaufleitung 14. In die­ ser Bypassleitung ist noch ein Schaltventil 28 eingebaut, das nur zum Entleeren der Kühlräume geöffnet wird.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 wird durch die Konstruktion mit hochliegendem Befüllbehälter 11b verhindert, daß beim Entleeren Kühlflüssigkeit in die Kühlräume nachläuft, da der Vorratsbehälter 11b luftdicht verschlossen ist.

Das Entleeren der Kühlräume bei den Ausführungen nach Fig. 3 und 4 wird dann beendet, wenn die Entleerungspumpe 26 bzw. die Heizkreispumpe 17 Luft ansaugt. Dies kann durch einen separaten Sensor ermittelt werden oder zeit­ abhängig geschehen.

Claims (8)

1. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem für Brenn­ kraftmaschinen, die im Kurbelgehäuse und Zylinder­ kopf Kühlräume aufweist, mit einer Vorlaufleitung von den Kühlräumen im Zylinderkopf zu einem Kon­ densator, einem hiermit in Verbindung stehenden Kondensatsammelbehälter und einer das Kondensat zu den Kühlräumen zurückführenden Rücklaufleitung mit eingebauter Kondensatförderpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Kaltstart das flüssige Kühlmittel aus den Kühlräumen der Brenn­ kraftmaschine abgelassen und erst bei Erreichen bauteilkritischer Temperaturen eingefüllt wird.

2. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (14) vom Kondensator (6) /Kondensatsammelbehälter (11) zur Brennkraftmaschine (1) auf einem niedrige­ ren Niveau als die Kühlräume (2a) im Kurbelgehäuse (2) verläuft und daß die Rücklaufleitung (14) di­ rekt in die Kühlräume (2a) des Kurbelgehäuses (2) an deren tiefsten Stelle mündet.

3. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entleerungsleitung (23) an der tiefsten Stelle der Kühlräume (2a) des Kurbelgehäuses (2) vorgesehen ist, die in die Rück­ laufleitung (14) mündet, wobei die Rücklaufleitung (14) vom Kondensator (6)/Kondensatsammelbehälter (11) zur Brennkraftmaschine (1) auf einem niedrige­ ren Niveau als die Kühlräume (2a) des Kurbelgehäu­ ses (2) geführt ist und daß die Rücklaufleitung (14) in die Kühlräume (1a) des Zylinderkopfes mün­ det.

4. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entleerungslei­ tung (23) ein Rückschlagventil (24) angeordnet ist.

5. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entleerungs­ leitung (23) eine elektrisch antreibbare Pumpe (26) eingebaut ist.

6. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (14) in einen an höchster Stelle im Kühlkreislauf liegenden Vorratsbehälter (11b) mündet, von dem eine Befülleitung (25) zu den Kühlräumen (1a) in den Zylinderkopf führt.

7. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizkreisvorlauf­ leitung (16) von der tiefsten Stelle der Kühlräume (2a) des Kurbelgehäuses (2) abzweigt, daß parallel zu den Heizungswärmetauschern (19, 21) eine Entlee­ rungsleitung (27) mit einem Schaltventil (28) vor­ gesehen ist, die einerseits an der Heizkreisvor­ laufleitung (16) und andererseits an der Rücklauf­ leitung (14) angeschlossen ist.

8. Teilgeflutetes Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entleerungsleitung (27) auf der Saugseite der Kondensatförderpumpe (12) in die Rücklaufleitung (14) mündet.