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Regelung der Kühlung von Wärmekraftmaschinen l)ie Vrfindung bezieht
sich auf eine Regelung der l-#ühlung vott W:irtnekraftmaschinen, insbesondere Fahrzeugantriebsmaschinen,
wobei die Kühlmittelmenge bz@@. der 1)ttrcligattgsquerschnitt eines st römettdett
liühlmittels, vorzugsweise eines die Abwärme der Maschine über eine Kühlflüssigkeit
attfnehtnenden Kühlluftstromes. in Abhängigkeit vorn Temperaturzustand der \laschine
absatzweise geregelt wird.
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1)ie I:rtittdtt@tg besteht im wesentlichen darin, daß bei einem mtterbetnessenen
Kühlsystem die \laschine unterhalb der h<icltstzttlzissigen Dauerleistung durch
die Regelung des Durchgangsquerschtiittes innerhalb eines ausreichend niedrigen
Tetnperatttrbereiches gehalten wird, daß bei Steigerung der Leistung nach Überschreiten
dieses unteren "Iemperaturl>erciches der f)ttrcltgangsquerschnitt nicht oder nur
wenig geändert wird und daß erst bei weiterem _lttstieg der Temperatur infolge hoher
Beanspruchung der Maschine in einem höheren Temperaturbereich die Regelung des Durchgangsquerschnittes
wieder einsetzt.
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Um das Kühlsystem einer Wärmekraftmaschine, insbesondere einer Fahrzeugantriebsmaschine,
möglichst klein zu bemessen und damit das Gewicht und gegebenenfalls den Luftwiderstand
der Kühlanlage möglichst gering zu halten, ist man vor allem bei Fahrzeugen, die
für hohe Fahrgeschwindigkeiten bestimmt sind, bestrebt, mit hohen Kühlmitteltemperaturen
bzw. einem erhöhten Wärmezustand der Maschine zu arbeiten. Das gilt z. B. sowohl
für Maschinen, deren Abwärme über ein fliiss,iges Kühlmittel an die vorbeiströmende
Kühlluft, als auch sinngemäß für Maschinen, deren Abwärme unmittelbar
an
die Kühlluft abgegeben wird, also sowohl für flüssigkeitsgekühlte als auch für Itiftgekühlte
Biotoren.
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Uni die Kühlwirkung des Kühlmittels, also z. 13.
der strömenden
Kühlluft, auf den Kühlbedarf der Maschine abzustimmen, hat man eine Regelung vorgesehen,
hei welcher die zur Kühlung herangezogene Kühlluftmenge, z. B. durch Veränderung
des Durchgangsquerschnittes der Kühlluft, in Abh;ingigkeit von der Temperatur der
Maschine bzw. eines hiervon abhängigen Zwischenkühlmittels, z. B. einer Kühlflüssigkeit,
geregelt wird, derart,daß sich die zur Kühlung herangezogene Kühlmittelinetige bzw.
der Durchgangsquerschnitt für das strömende Kühlmittel mit ansteigender Temperatur
verg ro '"ßert, um dadurch der Tennperaturerböhung entgegenzuwirken und einen möglichst
gleichtniißigen Wärmezustand der -Maschine zti gewährleisten. Für eine Maschine,
deren Kiihlsysteni unterbemessen und auf eine Ülertemperatur, d. 1i. normalerweise
unzulässig hohe Temperatur, der Maschine bzw. des Zwischenkühlmittels berechnet
ist, ist eine solche Regelung indessen unerwünscht oder unbrauchbar, da die hohe
Temperatur, über längere "Zeit andauernd, die Betriebssicherheit und Lebensdauer
der -Maschine gefährden und z. B. bei Kolbenmaschinen Schwierigkeiten für Kolben,
Kolbenringe. Ventile, Zündkerzen usw, ergeben würde.
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Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß normalerweise, also
in der überwiegenden -.Mehrzahl der Betriebsstunden, die Antriebsmaschine in einem
Wärmezustand bzw. hei einer entsprechenden Temperatur eines Zwischenkühlmittels
betrieben wird, welche für Lebensdauer und Sicherheit der Maschine günstig ist und
die Vberholungszeiten litraufsetzt, und (laß lediglich in der kurzen Betriebszeit
hoher thermischer Beanspruchung, z. B. bei hoher Leistung und niedriger Fahrgeschwindigkeit,
auf einen erhöhten Wärmezustand bz-,v. hohe Temperatur des Zwischenkühlmittels umgeschaltet
wird. Da sich die Bemessung des Kühlsystems nach dem maximalen Kühlbedarf bei thermisch
höchster Beanspruchung der Maschine richtet, hat diese Umschaltung oder absatzweise
Regelung zur Folge, daß (las Kühlsystem klein gehalten und damit auch die durch
die Kühlung bedingte Verlustleistung, z. l). Luftwiderstand und Leistungsaufwand
zum Umlauf des Kühlmittels, auf ein Mindestmaß lierabgesetzt werden kann.
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Iss sind zwar Kühlsysteme bekannt mit mehreren nacheinander in Abhängigkeit
von der Temperatur einschaltbaren Kühlblöcken, wobei z. 13. der eine Flock
hei 7o° C und der andere Block bei go" C in Betrieb genommen wird. Dieses
bekannte Kiihlsystein arbeitet jedoch nicht in der erfindungsgemäßen Weise mit Unterbemessung,
derart, daß normalerweise zwar während des Dauerbetriebes die Höchsttemperatur nicht
überschritten wird, in Zeitabschnitten höchster thermischer Beanspruchung jedoch
die Betriebstemperatur über dieser normalerweise zulässigen Höchsttemperatur liegt.
Außerdem benötigt die bekannte, Einrichtung zwei Kühler-Blöcke, so claß an r üumlicliem
und gewichtsmäßigem Aufwand für den Kühler gegenüber den üblichen .\nordnungen keine
Ersparnis erzielt wird.
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Iin Gegensatz hierzu kommt die Erfindung finit einem Kühlsystem aus,
ivelclies unterhalt-] der normalerweise @len@itigtcn Altittcsstiiigeit liegt und
daher eine wesentliche Ersparnis in r:iumlicher und gewichtsmäßiger Beziehung erniüglicht.
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Besonders zweckmäßig ist eine solche Regelungsweise. (laß innerhalb
eines unteren Temperaturbereiches zunächst eine relativ starke Zunahme des Durchgangsquerschnittes
in Al)hiitigigkeit von der Temperatur erfolgt, hierauf der Durchgangsquerschnitt
nach Überschreiten des unteren Temperaturbereiches nicht oder nur wenig in Abhängigkeit
von der Temperatur veriindert und alsdann nach Clterschreiten einer hiiheren Temperatur
erneut in A1thängigkeit von der Temperatur relativ stark vergrößert wird. Die Regelung
des Durchgangsquerschnittes innerhalb des unteren bzw. innerhalb des oberen Temperaturbereiches
erfolgt hierbei zweckmäßig bei nahezu konstanter Temperatur.
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In Anwendung auf eine Luftkühlung ist zweckmäßig innerhalb des Norinalbetriehes
der Durchgangsquerschnitt so weit freigegeben, daß zwar noch ein genügender Luftstrom
durch den Kühlkanal tritt, gleichzeitig jedoch widerstandsmäßig kein allzu ungünstiger
Einfluß auf da; Trielmerk ansgeübt wird und iler I_uftwirler@taiicl auch bei hohen
Geschwindigkeiten des Fahrzeuges nicht wesentlich erhöht wird. Vergrößert sich die
thermische Belastung, indem z. B. w@ihrend des Startens des Fahrzeuges die Leistung
Gier Maschine gesteigert wird oder extrem hohe .\ußetiteiiilierattireii oder in
sonstiger Weise tingiinstigc hiililverliältnisse auftreten, bei denen die Maximaltemperatur
des Normalbetriebes nicht mehr eingehalten werden kann, so vergrößert sich der Durchgangsquerschnitt
für die Kühlluft erst dann, wend eine bestimmte obere Temperatur der Maschine bzw.
des Zwischenkühlmittels erreicht bzw. überschritten wird. itni einem weiteren Ansteigen
der Temperatur entgegenzuwirken. "Zusätzliche hiililer oder sonstige Kühlvorrichtungen
sind nicht erforderlich.
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Zur Ausführung der ertindungsgeniä ßen, absatzweisen Regelung können
verschiedene Temperaturregler vorgesehen sein. Diese lkiiniieli zu einem geineinsainen
Aggregat verbunden, z. l3. auf gemeinsamer Achse angeordnet und derart hintereinandergeschaltet
sein, daß innerhalb eines unteren Temperaturbereiches nur der eine und innerhalb
des oberen Temperaturbereiches nur der andere Temperaturregler zur Wirkung kommt.
Durch besondere Anschläge können die Grenzen ihrer @Virksanikeit festgelegt sein.
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An Hand der Zeichnung seien einige Möglichkeiten für die Verwirklichung
der I?rtin(Itlng niiher erläutert. Es zeigt Fig. i die schematische I)arstcllung
einer beispielsweisen Anlage hei einen] z. 131. sti-()ltilillieiiförmigen
Kraftfahrzeug, Fig. 2 eine lr:ispielsw@ise Anordnung des Teniperatttrreglers.
Fig.3
ein anderes Ausführungsbeispiel für den "Temperaturregler, Fig..I bis 7 einige graphische
Darstellungen für verschiedene Arten der Regelung gemäß der Erfindung.
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In Fig. t ist u der \lotor, b der Kühler, dein das Kühlwasser über
einen Temperaturregler oder ein Tlierinostataggregat c in der Leitung d zu- und
durch die Leitung c abfließt. Die den Kühler 6 durchströmende Kühlluft tritt bei
f in den Kühlkanal ein und an einer Regelklappe - aus, welche durch ein Gestiinge
lt vom Temperaturregler c gesteuert wird, und zwar grundsätzlich derart, dal3 mit
steigender Temperatur des Kühlwassers die Klappe g geöffnet und mit fallender Temperatur
geschlossen wird. Beispielsweise ist in der Stellung A die Klappe' ganz geschlossen,
in der Stellung C ganz geöffnet, wiihrend in der Stellung B die Klappe z.
13. so weit geöffnet ist, daß unter normalen Betriel>sverhältnissen, etwa
Reisegeschwindigkeit des Fahrzeugs auf ebener oder leicht ansteigender Straße, normal
-;alte :Außentemperatur usw., noch eine ausreichend niedrige Kühlwassertemperatur
gewährleistet ist.
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1 -)er Temperaturregler c besteht aus zwei Einzelthermostaten c, und
c" welche in bezug auf die Regelbetätigung hintereinandergeschaltet sind. Eine entsprechende
Anordnung zeigt auch Fig. 2 in vergr@ßerteni Maßstabe. Der erste Thermostat c, ist
hierbei mit seinem linken Ende am Gehäuse fest gelagert, während sein anderes Ende
mittels der Stange i den zweiten Thermostaten c. trägt. der seinerseits das Regelgestänge
lt bzw. einen Steuerschieber h, für einen die Regelung bewirkenden Servomotor
betätigt. Dehnt sich der 'hlieritiostatc, Ani steigender Kühlwassertemperatur aus,
so verschiebt er zugleich den Thermostaten c" bis er hei eitler bestimmten "Temperatur
T, durch einen Anschlag 1,# ain Gehäuse od. dgl. festgehalten wird und sich nicht
weiter ausdehnen kann. Der Thermostat c., ist dagegen vorzugsweise derart bemessen
ausgebildet. daß er bis zu dieser Temperatur und darüber hinaus bis zu einer weiteren
höheren "henil@eratur 7'_, sich nicht oder im wesentlichen nicht aits(lehnt. F.r
katte zu diesem Zweck an seinen Enden finit Anschlägen l,, l= versehen sein"
die ein Zusatinnetizielien (l,us "Tlivrinostaten unterhalb der "Temperatur T.= verhindern
und z. B. auch im Innern des Thermostaten angeordnet sein können.
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1)ic Fig. 4 und 3 zeigen die Wirkungsweise eines st@lclren "Th(i-mostatett
c, w-olrei in Fig. .I (lie Temperatur (Ics Zwischenkühlmittels, d. 11. des
Kühlwassers, und der Durchgangsquerschnitt des strömenden Kühlmittels. d. h. der
Kühlluft, an der lZegelklappe g je in A1>li:ingigkeit von der Wärme-4eIastung der
Maschine, in Fig. 5 der DttrchgangsquerschnItt iit Abli:iiigigkeit von der Temperatur
Mies Zwischenkühlmittels in Diagranitnen dargestellt ist.
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Die Wirksamkeit des Thermostaten c, erstreckt sich vt)n der Temperatur
7',' (z. ß. linke Endfläche des "Ihernutstaten c., ain .-Anschlag I,#) bis
zur Teni-Inratur 7 c vmi r. 1). ()5 t`' (rechte Endfläche von c, am Anschlagk).
Die Kla.ppeg öffnet sich hierbei von A nach B. Innerhally dieses Bereiches
spielt sich der \TornialbetriebderMaschine ab(Wärmel)elastumgxo his _i-,). Erhöht
sichderWärmezustandderMaschine über die Wärmebelastung x, hinaus, so bleibt sowohl
die Länge des Thermostaten cl als auch zunächst die Länge des Thermostaten c2 unverändert.
Die Klappe g verbleibt in der Stellung B entsprechend einem konstanten Querschnitt
des Kühlluftkanals und damit (unter sonst unveränderten Verhältnissen) entsprechend
einer konstanten, den kühler b durchströmenden Kiihlluftmenge. Bei einer Kühlwassertemperatur
TZ von z. B. ido° C spricht der Thermostat c2 an, der nunmehr, während sich die
Temperatur von 7'2 auf T2' erhöht, die Regelklappe g bis in die voll geöffnete Stellung
c verstellt (Querschnitt = ioo °/o).
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«'ie ersichtlich, bleibt innerhalb des Bereiches mit geringer Wärmebelastung
der -Maschine die Kühlwassertemperatur nahezu konstant = T, oderverändert sich nur
in verhältnismäßig geringem Maße, desgleichen innerhalb des Bereiches x2-x3 mit
hoher Wärmebelastung der Maschine (T = - TZ). Gleichzeitig wird der Durchgangsquerschnitt
der Kühlluft zwischen A und B bzw. zwischen B und C vergrößert. Zwischen
beiden Bereichen ist ein Zwischenbereich xl-x, eingeschaltet, in welchem bei starkem
Temperatursprung von T, nach T2 der Querschnitt B konstant gehalten wird. Hierdurch
ist es möglich, eine ausreichende und wirksame Regelung im unteren bzw. normalen
Belastungsbereich unter Beibehaltung einer für den Dauerbetrieb günstigen, verhältnismäßig
niedrigen Kühlwassertemperatur vorzusehen und gleichzeitig den Vorteil hoher Kühlwassertemperatur
im Bereiche höchster thermischer Belastung der Maschine und damit geringer Abmessungen
des zu erhalten.
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Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird eine ähnliche Wirkungsweise mit
nur einem Thermostaten durch entsprechende Steuerung eines Servomotors erzielt.
Der Thermostat c3 steuert mittels zweier oder mehrerer im Steuerkolben 1i, angeordneter
Drosselbohrungen m,, m2 die ",v!,erbindutig zwischen den beiden, im übrigen voneinander
getrennten Druckmittelräumen n, und 112 einer Druckmittelleitung n. Das Druckmittel
für den Servomotor (Kolben c) wird z.
13. mittels einer ständig betriebenen
Pumpe durch eine Leitung p dem Zylinderrauie q zugeleitet, aus welchem es durch
die Leitung u abfließen kann, und zwar wird um so mehr abfließen, je geringerdieDrosselunginderLeitungn
durch den Schieber h3 ist, und um so weniger, je größer diese Drosselung ist. In
der dargestellten Lage bei niedriger Kühlwassertemperatur wird gerade eine Verbindung
zwischen den beiden Räumen n, und n.= durch die Drosselbohrung in, hergestellt.
Die Drosselung ist daher sehr groß, der Druck im Zylinderraum q sehr hoch, so daß
der Kolben o entgegen der Wirkung der Feder r nach oben in die oberste Lage gedrängt
ist. In dieser Lage .=1 ist die Klappe g geschlossen. Steigt die Kühlwassertemperatur
an, so wird zunächst bei T,
| die ganze 1)rosselbohrting rni freigegeiten, der Druck |
| in (/ sinkt. und der Koll)-n o 1>zw. di# Klappe h - |
| stellt sich in eine mittlere Lage F> ein. Bei weiterem |
| 'I"enilieratur<uistieg findet zunächst eine Änderung |
| des I )rosselquerschnittes zwischen rin und )i.= nicht |
| statt. Kolben o und Klappe , werden sich daher |
| nicht verstellen. Erst wenn auch die Drossel- |
| hohrung ni, in den Bereich der Räume tri,
n= gelangt |
| (l\"ülilwassertemperatur T2), findet eine weitere |
| Regelung des Durchgangsquerschnittes der Kühl- |
| luft in Abh:ittgigkeit von der Temperatur statt. Der |
| Druck in (1 sinkt weiter, und der Kollr°ti o wird |
| unter dem [ )ruck der Feder r noch weiter nach unten |
| verschollen, bis die Klappe g ihre Endstellung C |
| erreicht hat. Beim Sinken vier Temperatur spielen |
| sich die Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge ab. |
| Natürlich kann die Anordnung der Fi-.3 auch |
| derart getroffen sein, daß bei niedriger Kühl- |
| tv@tssertenil)er;ttur die Drosselung durch den |
| @chiel>er /(.; am geringsten, bei hoher Kühltvasser- |
| tetnperatur am stärksten ist. In diesem Falle wird |
| durch die untere Stellung des Kolbens o die Schließ- |
| lage .-I, durch die oberste Stellung desselben die |
| ()ffnungslage C der Regelklappe bestimmt. |
| Statt zweier hintereinandergeschalteter Thermo- |
| staten t-" c, können zur temperaturabhängigen Rege- |
| lung auch zwei voneinander unabhängige Thermo- |
| staten verwendet werden, von denen der eine den |
| unteren, der aridere den oberen Ternperaturhereich |
| steuert. |
| Gegebenenfalls genügt es auch, die [Maschine ge- |
| mä l.i Fig. 6 oder i zu regeln. Bei der Regelung |
| nach Fig. 6 sind zwei, gegebenenfalls auch zu einem |
| einzigenvereinigteThermostatenvorgesehen, welche |
| über den ganzen Regelbereich regeln, von Gienen der |
| eitre ltzw. der eine "['eil nach Erreichen (1_r Teni- |
| Imratur 7"t, :ih mich wie ct in Fig. i o(ier2, unwirksam |
| Beinacht wird, so (Maß darüber hinaus nur noch der |
| andere Thermostat bzw. der andere Teil des Thei-- |
| niostaten, ähnlich wie c=, jedoch finit flacherer |
| Charakteristik und unmittelbar arischlieliend an den |
| unteren Regelbereich, regelt. |
| Bei der Regelung nach Fig. j ist dagegen nur ein' |
| einziger 'I@liertnostat vorgeseh:n, welcher (Zen Be- |
| reich oberhalb der Temperatur T.= regelt. Iin |
| Übrigen ist jedoch die Regeleinrichtung derart ein- |
| Bestellt, dal3 ini \ornialbetrieb die Temperatur |
| st;indi- unterhalb der für Dauerleistung zul:issigeti |
| Temperatur T, bleibt, indem ;ich die [Zügelklappe |
| z. 1). in der für geringen Widerstand günstigen |
| Lage /> hefrndet. Die Temperatur wird allerdings |
| in (Miesem lalle ini unteren IZegellmreich verhältnis- |
| mälüB stark schwanken. Diese RegelunBSweise |
| Weist jedoch dein Torteil einer vereinfachten An- |
| lage auf. . |
| 1)ie lzegeltiiig kann indessen auch statt in zwei |
| Stufen in drei oder mehr Stufen erfolgen, wobei die |
| Stufen, wie auch in den übrigen Fällen, stetig oder |
| unstetig ineinander i.ihergehen können. |
| Statt KiihNvasser kann als Zwischenkählinittel |
| natürlich auch jede andere hierfiirgeeigneteFlüssig- |
| keit, z. B. mit höherem Siedepunkt, verwendet wer- |
| den. lfs kann ferner die Maschine auch direkt durch |
| Luft od. dgl. gekühlt werden. Irr dieseln Falle er- |
| folgt die ()uerschnittsr(@(lntt für die Kühlluft z. h. |
| in Abhängigkeit von `der Temperatur derselben |
| hinter der [Maschine bzw. (lern zti kühlenden Teil der |
| -Maschine. Statt einer ()tu°rscliiiittsregelung kann |
| gegebenenfalls auch uitic andere Mengenregelung |
| des Kühlmittels ;,. H. durch (@cl@lüs°iegelung o(l.(l,gl. |
| erfolgen. Die Erfindung ist für alle Arten von Fahr- |
| zeugen (Sti-al.ieti-. 'Schienen-. Luft- und \\ asse.r- |
| fahrzeuge), insl)esoii(lei-.° jedoch für solche mit |
| liolien Ci(#schWin<iigl:(itcii. @@((ignct. |