DE4342294A1 - Flüssigkeitskühlsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitskühlsystem für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs.

Ein derartiges Flüssigkeitskühlsystem ist in dem Haupt­ paket, der älteren deutschen Patentanmeldung P 43 04 247, beschrieben. Es besteht aus einem externen Kühlkreislauf, in dem ständig flüssiges Kühlmittel zirkuliert bzw. zir­ kulieren kann und einem Bypass durch die Brennkraft­ maschine, in der eine Phasenwechselkühlung, sprich eine Siedekühlung stattfinden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das aus dem Hauptpatent bekannte Kühlsystem in seiner Wirkung weiter zu steigern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des 1. Anspruchs gelöst. Das Vorsehen eines Ventils, welches die Bypass-Leitung zu den Kühl­ räumen der Brennkraftmaschine beherrscht, hat den Vor­ teil, daß die der Brennkraftmaschine zugeführte Flüssig­ keitsmenge gezielt gesteuert werden kann und es damit auch unterbunden werden kann, Kühlmittel überhaupt nach­ zuführen. Letzteres ist immer dann der Fall, wenn ein Kaltstart vorliegt. Dadurch wird die Warmlaufzeit wesent­ lich verkürzt und damit auch die Abgasemission ver­ ringert. Gleichzeitig kann dadurch der Kraftstoffver­ brauch der Brennkraftmaschine gesenkt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß es durch das Vorsehen eines ansteuerbaren Ventils möglich ist, daß bei hoher Motorlast die Temperatur des Kühl­ mittels in der Brennkraftmaschine auf unterhalb Siede­ temperatur gesenkt werden kann durch Erhöhen der Zufluß­ rate an flüssigem Kühlmittel.

Gesteuert wird das Ventil in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels und der Last über an sich bekannte elek­ trische/elektronische Steuerelemente und Steuerlogiken.

Die Ansprüche 2 bis 6 beschreiben bevorzugte Weiterbil­ dungen der Erfindungen.

Im folgenden wird anhand eines ausgewählten Ausführungs­ beispiels die Erfindung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine erste Ausgestaltung des Flüssigkeitskühl­ kreislaufes;

Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung des Systems nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 schematisch dar­ gestellt, in deren Zylinderkopf 2 Kühlräume 3 und in de­ ren Zylinderblock 4 Kühlräume 5 vorgesehen sind. Die Kühlräume 3 und 5 stehen miteinander in Verbindung über Öffnungen in der nicht näher dargestellten Zylinderkopf­ dichtung. Außerhalb der Brennkraftmaschine an ihrer höchsten Stelle bezogen auf den Kühlmittelstand befindet sich ein Kondensationsraum 6. Bevorzugt ist pro Zylinder jeweils eine Kühlmittelaustrittsöffnung 7 vom Zylinder­ kopf 1 zu dem Kondensationsraum 6 vorgesehen.

Der Kondensationsraum 6 ist über die Kühlmittelvorlauf­ leitung 8 mit einem Wärmetauscher 9 verbunden, der als üblicher Konvektionswärmetauscher in Querstrombauart aus­ gebildet ist. Zur Erhöhung seiner Kühlleistung ist ein Ventilator 10 vorgesehen.

Eine Kühlmittelrücklaufleitung 11 verbindet den Ausgang des Wärmetauschers 9 mit dem Kondensationsraum 6.

Zur Förderung eines Kühlmittelumlaufes ist in der Kühl­ mittelrücklaufleitung eine Kühlmittelförderpumpe 12 ein­ gebaut.

Ferner ist auf der Druckseite der Kühlmittelförderpumpe 12 ein Dreiwege-Ventil 13 eingebaut, von dem aus ein By­ pass 14 zu den Kühlräumen 5 im Zylinderblock 4 führt.

Zusätzlich ist in Fig. 1 der bei Konvektionskühlsystemen übliche Ausgleichsbehälter 15 an höchster Stelle des Kühlsystems angeordnet. In ihn mündet eine Gasabscheide­ leitung 16, die von der Kühlmittelvorlaufleitung 8 ab­ zweigt. Weiterhin ist eine Nebenschlußleitung 17 vorge­ sehen, die den Ausgleichsbehälter 15 mit der Kühlmittel­ rücklaufleitung 11 auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe 12 verbindet.

Der außerhalb der Brennkraftmaschine 1 liegende Kühl­ kreislauf entspricht weitgehend dem bei konventionellen Konvektionskühlsystemen. Das Kühlmittel wird von der Kühlmittelförderpumpe 12 über das Ventil 13 durch den Konvektionsraum 6, die Kühlmittelzufuhrleitung 8, den Wärmetauscher 9 und die Kühlmittelrücklaufleitung 11 im Kreis gefördert. Die Kühlmittelpumpe 12 kann, da der Durchflußwiderstand dieses Kreislaufes ohne Brennkraft­ maschine relativ gering ist, kleiner (schwächer) dimen­ sioniert werden als die heute üblichen Kühlmittelpumpen.

Bei kalter Brennkraftmaschine ist durch das Ventil 13 der Bypass 14 gesperrt. Die Kühlmittelpumpe 12 fördert das kalte Kühlmittel im Kreis oder - bei elektrisch ange­ steuerter Kühlmittelpumpe - sie kann auch abgeschaltet sein.

Da kein Kühlmittelfluß durch die Brennkraftmaschine bei Kaltstart vorhanden ist, wird die Warmlaufphase wesent­ lich verkürzt. Sobald die Brennkraftmaschine betriebswarm ist, beginnt Sieden und zwar zuerst in den Kühlräumen 3 im Zylinderkopf 2. Durch die Volumenausdehnung gelangt das siedende Kühlmittel, also Dampf und Kühlflüssigkeit in den Konvektionsraum 6, wo der Dampf aufgrund des küh­ leren Kühlmittels kondensieren kann. Gleichzeitig wird in dem Kondensationsraum 6 das von der Kühlmittelpumpe 12 geförderte Kühlmittel erwärmt. Der Ausgleichsbehälter 15 nimmt die Volumenausdehnung des Kühlmittels auf. Gleich­ zeitig können über die Gasabscheideleitung 16 eventuell nicht kondensierte Dampfblasen zum Ausgleichsbehälter 15 gelangen und dort kondensieren. Das erhitzte Kühlmittel wird in üblicher Weise durch den Wärmetauscher 9 abge­ kühlt.

Sobald der Kühlmittelstand in der Brennkraftmaschine sinkt, wird das Ventil über eine geeignete Steuerung ge­ öffnet, so daß ein geringer Teilstrom über den Bypass 14 in die Kühlräume 3 und 5 gelangen kann (Fig. 1). Es wird immer soviel Kühlmittel zugeführt, daß sämtliche Kühl­ räume mit Kühlflüssigkeit bzw. einem Kühlflüssigkeits­ dampfgemisch gefüllt sind. Dies kann durch einen geeigne­ ten Füllstandsmesser oder einen Temperatursensor ge­ steuert werden.

Bei Vollast wird das Ventil 13 soweit geöffnet, daß ein ausreichender Kühlmittelstrom durch den Bypass 14 und die Kühlräume 5 und 3 fließt, damit Sieden vermieden wird, so daß in diesem Zustand ein übliches Kühlsystem vor­ herrscht.

Erst wenn dieser Lastbereich wieder verlassen wird, wird Sieden des Kühlmittels in den Kühlräumen 3 und 5 zugelas­ sen, wenn also Teillast vorliegt.

Hierdurch ist sichergestellt, daß die Warmlaufphase sehr stark verkürzt werden kann und im Teillastbereich opti­ male Verbrauchs- und Abgaswerte erreicht werden.

Die Ausbildung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 1 dadurch, daß zusätzlich eine Kurz­ schlußleitung 18 zwischen der Kühlmittelvorlaufleitung 8 und der Kühlmittelrücklaufleitung 11 vorgesehen ist. Am Mündungspunkt der Kurzschlußleitung 18 in die Kühlmittel­ rücklaufleitung 11 ist ein Dreiwege-Thermostat 19 vorge­ sehen, das in üblicher Weise arbeitet. Damit ist es mög­ lich, die im externen Kühlkreis zirkulierende Kühlflüs­ sigkeit auf eine definierte Temperatur einzustellen und zu verhindern, daß in die Kühlräume der Brennkraft­ maschine bei teilweiser oder ganz geöffnetem Bypass 14 zu kaltes Kühlmittel - in Abhängigkeit der Außentemperatur - einströmen kann.

Claims (6)

1. Flüssigkeitskühlsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem auf einem Zylinderblock unter Zwischen­ schaltung einer Dichtung aufgesetzten Zylinderkopf, deren Kühlmittelräume über Durchtrittsöffnungen in der Dichtung miteinander verbunden sind, mit einem externen Kühlkreislauf, bestehend aus einem an der höchsten Stelle bezogen auf die Brennkraftmaschine angeordneten Kondensationsraum, der einerseits mit den Kühlräumen im Zylinderkopf verbunden ist und von dem andererseits eine Kühlmittelvorlaufleitung zu einem Wärmetauscher abzweigt und in den eine Kühlmittelrücklaufleitung vom Wärmetauscher mündet, wobei in der Kühlmittelrücklaufleitung eine Kühl­ mittelpumpe eingebaut ist und auf ihrer Druckseite einen Bypass zu den Kühlmittelräumen im Zylinder­ block abzweigt, nach Patent (Patentanmeldung P 43 04 247),
dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (14) von einem ansteuerbaren Ventil (13) beherrscht wird.

2. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (13) als Dreiwege-Ventil ausgebildet ist.

3. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquer­ schnitt des Bypass (14) wesentlich geringer ist als der Strömungsquerschnitt der Kühlmittelrück­ laufleitung (11).

4. Flüssigkeitskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsraum (6) außerhalb des Zylinderkopfes (2) angeordnet ist und daß für jeden Zylinder am Zylinderkopf (2) je eine Kühlmittelaustrittsöffnung (7) zum Konden­ sationsraum (6) vorgesehen ist.

5. Flüssigkeitskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindungsleitung (18) zwischen der Kühlmittelvorlaufleitung (8) und der Kühlmittelrücklaufleitung (11) vorgesehen ist, deren Beginn oder Ende von einem an sich bekannten Kühlmittelthermostat (19) beherrscht wird.

6. Flüssigkeitskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgleichsbehälter (15) vorgesehen ist, der an der Kühlmittelvorlauf­ leitung (8) über eine Gasabscheideleitung (16) an­ geschlossen ist und dessen Abfluß in die Kühl­ mittelrücklaufleitung (11) auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe (12) mündet.