DE4342295A1 - Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE-A 41 39 767 bekannt. Verdampfungskühlsysteme werden üb­ licherweise für Kraftfahrzeugmotore vorgesehen, um Emis­ sions- und Verbrauchswerte zu senken. Dementsprechend müssen sie hinsichtlich ihrer Wartungsfreiheit entspre­ chend den heutigen reinen Konvektionskühlsystemen aufge­ baut sein. Hierzu gehört auch, daß der Befüllstand vom Bediener sicher ermittelt werden kann. Dies ist bei nicht allen bekannten Verdampfungskühlsystemen der Fall, insbe­ sondere auch, wenn man bedenkt, daß von Brennkraft­ maschinenseite her nicht sicher vermieden werden kann, daß Verbrennungsgase während der Einsatzzeit der Brenn­ kraftmaschine in den Kühlkreis gelangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ dampfungskühlsystem mit einem Befüllsystem vorzuschlagen, mit dem gleichzeitig auch die im Kühlsystem eingedrunge­ nen Verbrennungsgase sicher ausgeschieden werden gönnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des ersten Anspruches gelöst.

Aufgrund der Anordnung des luftdicht verschließbaren Vor­ ratsbehälters, unabhängig von seiner geodätischen Höhen­ lage in Verbindung mit einem Ausgleichsbehälter, wird sichergestellt, daß sich eventuelle Verbrennungsgase immer im Ausgleichsbehälter sammeln können und zu keinem Absinken des Kondensatstandes im Vorratsbehälter führen. Gleichzeitig ist hierbei sichergestellt, daß der Bedie­ nungsperson ein Fehlen des Kühlmittels und einem damit gleichbedeutenden Absinken des Kondensatniveaus im Vor­ ratsbehälter unabhängig von der augenblicklich herrschen­ den Temperatur und dem augenblicklich herrschenden Druck im Kühlsystem immer sicher angezeigt wird.

Die Unteransprüche 2 bis 6 stellen vorteilhafte Weiter­ bildungen des Systems dar, wobei durch die Weiterbildung nach Anspruch 2 ein einfaches Erst-Befüllen bzw. voll­ ständiges Wiederbefüllen des Systems möglich ist.

Die Unteransprüche 3 bis 6 beschäftigen sich mit Lö­ sungen, wie die Ausscheidung der Verbrennungsgase bzw. aller nicht kondensierbaren Gase im Kühlflüssigkeits­ system verbessert werden kann und sie sich im Ausgleichs­ behälter sammeln können, ohne daß hierbei der Füllstand im Vorratsbehälter beeinflußt wird.

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

Fig. 1 einen schematisierten Querschnitt durch ein Verdampfungskühlsystem gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Verdampfungskühlsystem nach Fig. 1 mit einer separaten Gassaugleitung;

Fig. 3 ein Verdampfungskühlsystem nach Fig. 1 mit einem separaten Gasabscheidebehälter.

In Fig. 1 ist schematisiert ein Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Es besteht aus den Kühlräumen 1a und 1b im Zylinderkopf bzw. Kurbelge­ häuse der Brennkraftmaschine 1. Von den Kühlräumen 1a im Zylinderkopf verläuft eine Vorlaufleitung 2 zu einem Dampfabscheider 3.

Der Dampfausgang des Dampfabscheiders 3 ist mit einem Kondensator 5 über einen Einlaßstutzen 4 verbunden. Der Kondensator selbst ist als Luft-/Flüssigkeits-Wärme­ tauscher ausgebildet und besitzt zur Unterstützung der Luftströmung einen Lüfter 6. Im dargestellten Beispiel handelt es sich um einen Querstromkondensator. Dies ist jedoch nicht wesentlich zum Erreichen des Zwecks der Er­ findung.

Der Kondensator 5 besitzt auf seinem kondensatseitigen Sammelkasten 5b einen Verschlußdeckel 7. Das Kondensat verläßt den Kondensator über die Sammelkästen 5a und 5b und eine Rücklaufleitung 10, die sich unterteilt in meh­ rere, funktional verschiedene Leitungsabschnitte.

An den Leitungsabschnitt 10a ist über eine Stichleitung 10c ein Ausgleichsbehälter 8 angeschlossen, der einen Verschlußdeckel 9 aufweist, in dem übliche Überdruck- /Unterdruckventile zur Drucksteuerung des Kühlkreislaufes eingebaut sind.

In den Leitungsabschnitt 10a mündet, ausgehend vom Dampfabscheider 3, eine Kondensatrückleitung 11. Die Kon­ densatrückleitung 11, der Leitungsabschnitt 10a und die Stichleitung 10c weisen etwa gleichen Durchmesser auf und sind so dimensioniert, daß Verbrennungsgase sie leicht passieren und zum Ausgleichsbehälter 8 strömen können.

An die Kondensatrückleitung 11 oder den Leitungsabschnitt 10a angeschlossen ist der im Durchmesser wesentlich ge­ ringer dimensionierte Leitungsabschnitt 10d, der in einem Hochpunkt in einem Vorratsbehälter 12 mündet. An seinem Grund beginnt der Leitungsabschnitt 10e und ver­ läuft bis zu den Kühlräumen 1b im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 1 unter Zwischenschaltung einer Kon­ densatförderpumpe 14 und eines Rückschlagventils 15. Der Vorratsbehälter 12 ist ebenfalls mit einem Verschluß­ deckel 13 versehen, der ihn luftdicht verschließt.

Um eine Erstbefüllung bei dem beschriebenen Kühlsystem vorzunehmen bzw. eine komplette Nachbefüllung nach einem vollständigen Entleeren des Kühlkreislaufes, werden die Verschlußdeckel 7 und 13 geöffnet. Eingefüllt wird die Kühlflüssigkeit in den Sammelkasten 5b und zwar so lange, bis der Vorratsbehälter 12 vollständig mit flüssi­ gem Kühlmittel gefüllt ist. Sodann werden die beiden Ver­ schlußdeckel 13 und 7 wieder aufgesetzt.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine bilden sich nach Be­ endigung der Warmlaufphase Dampfblasen in den Kühlräumen 1a und 1b. Ein Dampf-Kühlflüssigkeitsgemisch gelangt über die Vorlaufleitung 2 in den Dampfabscheider 3, wo eine Trennung von Dampf und Flüssigkeit stattfindet. Die Flüssigkeit fließt über die Kondensatrückleitung 11 auf­ grund der laufenden Kondensatpumpe 14 in den luftdicht verschlossenen Vorratsbehälter 12 und wieder zurück in die Kühlräume der Brennkraftmaschine um sicherzustellen, daß diese im Betrieb immer vollständig gefüllt sind.

Der im Dampfabscheider abgetrennte Dampf gelangt in den Kondensator 5, wo er kondensiert und über die Rücklauf­ leitung 10 ebenfalls in den Vorratsbehälter 12 fließen kann.

Ein Teil des Kondensates wird jedoch auch in den Aus­ gleichsbehälter 8 ausgeschoben aufgrund der sich bei Dampfbildung bildenden Druck-/Volumenerhöhung im Kühl­ system. Aufgrund der durchmessergrößeren Leitungsab­ schnitte 10a, 10c und 11 werden nicht kondensierbare Gase aus dem Kondensator 5/Dampfabscheider 3 in den Aus­ gleichsbehälter 8 geschoben und sammeln sich dort an. Sie können über das im Verschlußdeckel 9 eingebaute Über­ druckventil ausgeschieden werden, wenn der öffnungswert des Überdruckventils erreicht wird. Bevorzugt liegt die­ ser etwa bei 0,5 bar über Umgebungsdruck.

Auf diese Weise wird verhindert, daß ein erhöhter Anteil von nicht kondensierbaren Gasen ein Absinken des Konden­ satstandes im Vorratsbehälter bewirkt. Die Gase werden sich vielmehr im Ausgleichsbehälter 8 sammeln und erst dann, wenn dieser überhaupt kein Kondensat mehr beinhal­ tet, werden die nicht kondensierbaren Gase mit dem Kon­ densat zum Vorratsbehälter 12 fließen, wo sie sich dann niederschlagen, so daß dann sichtbar der Kondensatstand sinkt.

In diesem Fall kann flüssiges Kühlmittel durch öffnen des Verschlußdeckels 13 soweit nachgefüllt werden, bis der Vorratsbehälter wieder vollständig gefüllt ist.

In Fig. 2 ist die gleiche Anlage wie in Fig. 1 darge­ stellt nur mit dem Unterschied, daß in der Stichleitung 10c eine Drosselstelle 17 als Strömungsverengung vorge­ sehen ist. In dieser Strömungsverengung endet die Gas­ saugleitung 16, die vom Sammelkasten 5b aus abzweigt.

Alle übrigen Bauteile sind gleich und dementsprechend auch mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen.

Die Strömungsverengung 17 wirkt wie ein Venturirohr. Hierdurch werden bei einer Kondensatströmung in den Aus­ gleichsbehälter 8, die immer dann auftritt, wenn der Sie­ depunkt erreicht ist und auch wenn von Vollastbetrieb auf Teillastbetrieb umgestiegen wird, nicht kondensierbare Gase aus dem Sammelkasten 5b abgesaugt und mitgenommen. Durch diese Anordnung ist die Abscheiderate von nicht kondensierbaren Gasen im Ausgleichsbehälter erhöht gegen­ über der Ausführungsform nach Fig. 1.

In Fig. 3 ist eine weitere Verbesserung der Gasabschei­ derate gegenüber der Anordnung nach Fig. 2 gegeben. Hierzu wird in die Rücklaufleitung 10 und zwar am Ende des Leitungsabschnittes 10f eine Gasabscheidevorrichtung 19 eingesetzt. Weiterhin mündet die Kondensatrückleitung 11 direkt in den Leitungsabschnitt 10d, der hier an der Gasabscheidevorrichtung 19 beginnt. Die Kondensatrücklei­ tung 11 sowie die Zu- und Abfuhrleitungen aus der Gasab­ scheidevorrichtung 19 sind im Durchmesser kleiner dimen­ sioniert als der Leitungsabschnitt 10a und die Stichlei­ tung 10c.

Weiterhin ist eine Strömungsverengung 17′ in den Lei­ tungsabschnitt 10f vor der Gasabscheidevorrichtung 19 vorgesehen. An diese Strömungsverengung 17′ ist die Gas­ saugleitung 16′ angeschlossen, die in diesem Beispiel vom Sammelkasten 5a abzweigt. Dies ist für die Wirkung uner­ heblich, da die nicht kondensierbaren Gase ihre Eigen­ schaften im Kondensator 5 nicht ändern.

Um die in der Gasabscheidevorrichtung 19 abgeschiedenen Gase zu dem Ausgleichsbehälter 8 zu leiten, ist eine Gas­ abscheideleitung 20 vorgesehen. Diese beginnt am höchsten Punkt der Gasabscheidevorrichtung 19 und endet am Grund des Ausgleichsbehälters 8.

Aufgrund dieser Anordnung können kontinuierlich nicht kondensierbare Gase zu der Gasabscheidevorrichtung 19 ge­ fördert werden, da in dem Leitungsabschnitt 10f aufgrund seiner Dimensionierung bereits eine hohe Durchfluß­ geschwindigkeit herrscht. Die übrige Funktion des Systems ist identisch mit dem System in Fig. 1 und 2.

Claims (6)

1. Verdampfungskühlsystem für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus Kühlräumen innerhalb der Brennkraft­ maschine, einer Vorlaufleitung von der Brennkraft­ maschine zu einem Kondensator, einer Rücklauflei­ tung vom Kondensator zu den Kühlräumen, einer in der Rücklaufleitung eingebauten Kondensatpumpe, einem über eine Stichleitung an der Rücklaufleitung angeschlossenen Ausgleichsbehälter sowie einem an der Rücklaufleitung angeschlossenen verschließbaren Vorratsbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (12) in der Rücklaufleitung (10) in Reihe vor der Kondensatpumpe (14) vorgesehen ist, wobei die Rück­ laufleitung (10) in den Vorratsbehälter (12) als Steigleitung (10 d) in seinem oberen Bereich mündet und ihn in seinem Bodenbereich wieder verläßt.

2. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (5) mit einem Verschlußdeckel (7) versehen ist.

3. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stichleitung (10c) zum Ausgleichsbehälter (8) eine Strömungs­ verengung (17) vorgesehen ist, in der eine Gassaug­ leitung (16) mündet, die mit dem Kondensatsammel­ kasten (5b) des Kondensators (5) in Verbindung steht.

4. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorangegange­ nen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rücklaufleitung (10) - in Strömungsrichtung - vor dem Vorratsbehäl­ ter (12) an einem Tiefpunkt ein Gasabscheidevor­ richtung (19) eingebaut ist, von dem eine Gasab­ scheideleitung (20) zum Ausgleichsbehälter (8) hin verläuft.

5. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rücklaufleitung (10) zur Gasabscheidevorrichtung (19) - in Strö­ mungsrichtung vor ihr - eine Strömungsverengung (17′) eingebaut ist, in die die Gassaugleitung (16′) mündet.

6. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabscheideleitung (20) am Grund des Ausgleichsbehälters (8) mündet.