EP0383172B1 - Flüssigkeitskühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0383172B1
EP0383172B1 EP90102369A EP90102369A EP0383172B1 EP 0383172 B1 EP0383172 B1 EP 0383172B1 EP 90102369 A EP90102369 A EP 90102369A EP 90102369 A EP90102369 A EP 90102369A EP 0383172 B1 EP0383172 B1 EP 0383172B1
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EP
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combustion engine
turbocharger
line
internal combustion
cooling
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Ingo Dipl.-Ing. Janthur
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Adam Opel GmbH
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Adam Opel GmbH
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    • F01P5/10—Pumping liquid coolant; Arrangements of coolant pumps
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    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
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    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/02—Liquid-coolant filling, overflow, venting, or draining devices
    • F01P11/029—Expansion reservoirs
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/12—Turbo charger

Definitions

  • the invention relates to a liquid cooling system for an internal combustion engine charged by a turbocharger, the turbocharger being connected to the cooling circuit of the internal combustion engine via a supply line and a return line, and forced circulation cooling taking place during operation of the internal combustion engine, and the cooling system having an expansion tank for the cooling liquid.
  • Turbochargers with liquid-cooled bearing housings are increasingly being used in turbocharged internal combustion engines in order to prevent coking of the oil in the bearing of the turbocharger. While the coolant is circulated by a pump during engine operation, the liquid must be circulated by a suitable thermosiphon effect or a trailing electric pump after the internal combustion engine has been switched off, in order to avoid heat build-up in the event of post-heating. However, it is often difficult to achieve the thermosiphon effect due to unfavorable temperature gradients. Electrical after-running liquid pumps require temperature-resistant materials, electrical lines and switching relays and are therefore complex and expensive.
  • a liquid cooling system of the type mentioned is known, in which in addition to the cooling circuit for the internal combustion engine, a further cooling circuit is provided for the turbocharger.
  • the flow line of the turbocharger is connected to the output of a cooler assigned to the cooling circuit for the internal combustion engine, and the return line of the turbocharger opens into the return line of the internal combustion engine shortly before the circulation pump assigned to the cooling circuit of the internal combustion engine.
  • the feed line of the turbocharger is connected to a geodetically higher heat exchanger via a branch line, and a further branch line connects the return line of the turbocharger to the heat exchanger.
  • An expansion tank is used as the heat exchanger for the temperature-dependent, different volume of the coolant.
  • the expansion tank is filled to a certain level with coolant, below this level the two branch lines open into the expansion tank.
  • a non-return valve is inserted, which only allows a flow through this branch line in the direction of the expansion tank.
  • a remote-controlled solenoid valve can also be installed in the branch line.
  • the task is solved in that there is a check valve in the feed line of the turbocharger and the Return line of the turbocharger is branched, into a first line that opens into the expansion tank above the coolant level and a second line that opens into the expansion tank below the coolant level and contains a check valve.
  • the coolant is conveyed by the coolant pump during operation of the internal combustion engine and flows through the feed line of the turbocharger into its bearing housing, where it cools its bearing and from there through the return line of the turbocharger back to the location of the cooling system where the heated one Cooling liquid is cooled to be returned to the cooling process. If, however, the internal combustion engine is switched off, the afterheating of the turbocharger heats the coolant in the bearing up to the boiling point. This creates steam in the bearing, which presses the liquid in the return line and from there in the first line that ends above the coolant level and the second line that ends below the coolant level into the expansion tank.
  • the return line must be chosen close enough so that the steam, which is generated almost explosively, can drive the coolant column in the return line and the first and second lines in front of it.
  • the coolant runs into the return line back into the turbocharger or the steam condenses in the return line.
  • the liquid level in the return line is now lower by the amount of coolant already conveyed into the expansion tank, since it cannot flow back through the first line ending above the coolant level or because of the check valve through the second line ending below the coolant level.
  • cooler coolant can flow in through the check valve until pressure equalization.
  • This process - heating up , evaporating, ejecting liquid into the expansion tank, running out of the system - does not run smoothly and continuously, but cyclically and in batches. It ends as soon as the turbocharger bearing has reached coolant boiling temperature. This is sufficient to prevent the oil in the storage from coking. The normal thermosiphon effect can then begin.
  • FIG. 1 illustrates the structure of the liquid cooling system according to the invention.
  • a turbocharger 2 is attached to an internal combustion engine 1 and has a water-cooled bearing housing 3. This is connected to a flow line 4 and a return line 6 to the cooling system of the internal combustion engine 1.
  • Their cooling system is shown in simplified form, a flow line 9 leads to the corresponding cooling elements of the internal combustion engine 1, the return line of the internal combustion engine in the simplified representation according to FIG. 1 also represents the flow line 4 of the turbocharger 2.
  • a check valve 5 which only flow through the flow line from the internal combustion engine 1 to the turbocharger 2 is permitted.
  • the return line 6 is divided into one first line 10, which opens above the coolant level 12 in an expansion tank 8, and a second line 11, which opens below the coolant level 12 in the expansion tank 8.
  • the second line 11 has a check valve which only allows flow through the return line 6 from the turbocharger 2 to the expansion tank 8.
  • the coolant which will generally be understood to be cooling water
  • a water pump not shown
  • the feed line 9 of the internal combustion engine 1 through the corresponding cooling elements of the internal combustion engine 1 to the feed line 4 of the turbocharger 2, and from there through its bearing housing 3 for cooling the bearing of the turbocharger 2
  • the cooling water from the turbocharger 2 passes through the return line 6 and the second line 11 back into the expansion tank 8 and from there again into the flow line 9 of the internal combustion engine 1.
  • the coolant-conveying pump is expediently arranged in the feed line 9 of the internal combustion engine 1, and the actual cooler for the cooling liquid, which is likewise expediently assigned to the feed line 9 of the internal combustion engine 1, is located in the cooling circuit.
  • the illustration of the water pump and the cooler was therefore omitted because the design of the liquid cooling system according to the invention is less to be seen in relation to the normal operation of the internal combustion engine 1, but rather is aimed at cooling after the internal combustion engine 1 has been switched off, that is to say an operating state of the liquid cooling system where the pump and cooler are ineffective.
  • the process - heating up, evaporating, expelling water into the expansion tank 8, running out of the system - does not run smoothly and continuously, but cyclically and in batches. It ends as soon as the bearing housing 3 has reached coolant boiling temperature.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitskühlsystem für eine durch einen Turbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist und im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Zwangsumlaufkühlung erfolgt, sowie das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter für die Kühlflüssigkeit aufweist.
  • Bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen finden in zunehmendem Maße Turbolader mit flüssigkeitsgekühlten Lagergehäusen Verwendung, um eine Verkokung des Öls im Lager des Turboladers zu verhindern. Während im Motorbetrieb das Kühlmittel durch eine Pumpe umgewälzt wird, muß nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine durch eine geeignete Thermosyphonwirkung oder eine nachlaufende elektrische Pumpe die Flüssigkeit umgewälzt werden, um einen Hitzestau bei Nachhitze zu vermeiden. Die Thermosyphonwirkung zu erzielen ist aber wegen ungünstiger Temperaturgefälle oft schwierig, elektrische nachlaufende Flüssigkeitspumpen erfordern temperaturfeste Materialien, elektrische Leitungen und Schaltrelais und sind damit aufwendig und teuer.
  • Aus der DE-OS 34 07 521 ist ein Flüssigkeitskühlsystem der genannten Art bekannt, bei dem neben dem Kühlkreislauf für die Brennkraftmaschine ein weiterer Kühlkreislauf für den Turbolader vorgesehen ist. Die Vorlaufleitung des Turboladers ist mit dem Ausgang eines dem Kühlkreislauf für die Brennkraftmaschine zugeordneten Kühlers verbunden und es mündet die Rücklaufleitung des Turboladers kurz vor der dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine zugeordneten Umwälzpumpe in die Rücklaufleitung der Brennkraftmaschine. Über eine Zweigleitung ist die Vorlaufleitung des Turboladers mit einem geodätisch höherliegenden Wärmetauscher verbunden, eine weitere Zweigleitung verbindet die Rücklaufleitung des Turboladers mit dem Wärmetauscher. Als Wärmetauscher findet ein Ausgleichsbehälter für das temperaturbedingte, unterschiedliche Volumen der Kühlflüssigkeit Verwendung. Der Ausgleichsbehälter ist bis zu einem bestimmten Niveau mit Kühlflüssigkeit gefüllt, unterhalb dieses Niveaus münden die beiden Zweigleitungen in den Ausgleichsbehälter. In die den Ausgleichsbehälter mit der Rücklaufleitung des Turboladers verbindende Zweigleitung ist ein Rückschlagventil eingesetzt, welches ausschließlich eine Durchströmung dieser Zweigleitung in Richtung des Ausgleichsbehälters gestattet. Anstelle des Rückschlagventiles kann in die Zweigleitung auch ein fernschaltbares Magnetventil eingebaut sein. Im Betrieb der Brennkraftmaschine durchströmt die Kühlflüssigkeit den ersten, der Brennkraftmaschine zugeordneten Kühlkreislauf sowie den zweiten, dem Turbolader zugeordneten Kühlkreislauf. Das Rückschlagventil verhindert dabei, daß Kühlflüssigkeit vom Ausgleichsbehälter durch die der Rücklaufleitung des Turboladers zugeordnete Zweigleitung unter Umgehung des Turboladers in dessen Rücklaufleitung überfließen kann. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine und damit der Umwälzpumpe tritt ein Druckausgleich im gesamten Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine ein, womit die Zwangsumlaufkühlung beendet ist. Die heiße Kühlflüssigkeit des Turboladers kann dann durch dessen Rücklaufleitung und die dieser zugeordnete Zweigleitung zu dem Ausgleichsbehälter hochsteigen, kühlt sich in ihm ab und fließt durch die Vorlaufleitung zum Turbolader zurück. Die Kühlung des Turboladers erfolgt damit nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine ausschließlich durch Thermosyphonwirkung mit dem eingangs beschriebenen Nachteil.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flüssigkeitskühlsystem der genannten Art zu schaffen, welches sicherstellt, daß die Kühlung des Turboladers nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine ohne Zuhilfenahme einer nachlaufenden Umwälzpumpe mit einem gegenüber dem Wirkungsgrad bei der Thermosyphonströmung wesentlich verbesserten Wirkungsgrad erfolgt.
  • Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß sich in der Vorlaufleitung des Turboladers ein Rückschlagventil befindet und die Rücklaufleitung des Turboladers verzweigt ausgebildet ist, in eine erste Leitung die oberhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet sowie eine zweite Leitung, die unterhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet und ein Rückschlagventil enthält.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitssystem wird im Betrieb der Brennkraftmaschine das Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe befördert und fließt durch die Vorlaufleitung des Turboladers in dessen Lagergehäuse, wo es dessen Lager kühlt und von dort durch die Rücklaufleitung des Turboladers zurück an diejenige Stelle des Kühlsystems gelangt, wo die erhitzte Kühlflüssigkeit abgekühlt wird, um erneut dem Kühlprozeß zugeführt zu werden. Wird hingegen die Brennkraftmaschine abgeschaltet, so heizt die Nachhitze des Turboladers die Kühlflüssigkeit im Lager bis zum Siedepunkt auf. Dadurch entsteht im Lager Dampf, der die Flüssigkeit in der Rücklaufleitung und von dort ausgehend in der ersten Leitung, die oberhalb des Kühlmittelspiegels endet sowie der zweiten Leitung, die unterhalb des Kühlmittelspiegels endet, vor sich her in den Ausgleichsbehälter drückt. Hierzu muß die Rücklaufleitung eng genug gewählt werden, damit der Dampf, der nahezu explosionsartig entsteht, die Kühlmittelsäule in der Rücklaufleitung und der ersten sowie zweiten Leitung vor sich hertreiben kann. Nach diesem Vorgang läuft die Kühlflüssigkeit in die Rücklaufleitung zurück in den Turbolader bzw. es kondensiert der Dampf in der Rücklaufleitung. Jedoch ist der Flüssigkeitsstand in der Rücklaufleitung nun um die bereits in den Ausgleichsbehälter beförderte Kühlmittelmenge geringer, da diese weder durch die oberhalb des Kühlmittelspiegels endende erste Leitung noch wegen des Rückschlagventils durch die unterhalb des Kühlmittelspiegels endende zweite Leitung zurückfließen kann. So entsteht am in der Vorlaufleitung des Turboladers angeordneten Rückschlagventil wegen der unterschiedlichen Flüssigkeitsniveaus im Vorlaufkühlsystembereich und im Rücklaufkühlsystembereich ein Druckunterschied Δp, infolgedessen kann kältere Kühlflüssigkeit durch das Rückschlagventil bis zum Druckausgleich nachfließen.
  • Dieser Vorgang - aufheizen, verdampfen, ausstoßen von Flüssigkeit in den Ausgleichsbehälter, nachlaufen aus dem System - läuft nicht gleichmäßig und kontinuierlich ab sondern zyklisch und schubweise. Er endet, sobald das Lager des Turboladers Kühlmittelsiedetemperatur erreicht hat. Dies ist ausreichend, um das in der Lagerung befindliche Öl am Verkoken zu hindern. Danach kann die normale Thermosyphonwirkung einsetzen.
  • Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.
  • In den Figuren 1 bis 5 ist die Erfindung und deren Wirkungsweise an einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsform beschränkt zu sein. Es zeigt:
    • Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlsystems und
    • Figuren 2, 3, 4 und 5 entsprechende Darstellungen des Kühlsystems bei unterschiedlichen Betriebszuständen.
  • Die Figur 1 verdeutlicht den Aufbau des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlsystems. An einer Brennkraftmaschine 1 ist ein Turbolader 2 angebracht, der ein wassergekühltes Lagergehäuse 3 hat. Dieses ist mit einer Vorlaufleitung 4 und einer Rücklaufleitung 6 mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine 1 verbunden. Deren Kühlsystem ist vereinfacht dargestellt, eine Vorlaufleitung 9 führt zu den entsprechenden Kühlelementen der Brennkraftmaschine 1, die Rücklaufleitung der Brennkraftmaschine stellt bei der vereinfachten Darstellung gemäß Figur 1 gleichzeitig die Vorlaufleitung 4 des Turboladers 2 dar. In der Vorlaufleitung 4 befindet sich ein Rückschlagventil 5, das nur eine Durchströmung der Vorlaufleitung von der Brennkraftmaschine 1 zum Turbolader 2 hin gestattet. Die Rücklaufleitung 6 ist geteilt in eine erste Leitung 10, die oberhalb des Kühlmittelspiegels 12 in einen Ausgleichsbehälter 8 mündet, sowie eine zweite Leitung 11 , die unterhalb des Kühlmittelspiegels 12 in den Ausgleichsbehälter 8 mündet. Die zweite Leitung 11 weist ein Rückschlagventil auf, das nur eine Durchströmung der Rücklaufleitung 6 vom Turbolader 2 zum Ausgleichsbehälter 8 gestattet.
  • Beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine, dargestellt in der Figur 2, wird das Kühlmittel, worunter in aller Regel Kühlwasser zu verstehen sein wird, durch eine nicht näher dargestellte Wasserpumpe im Kreislauf durch die Vorlaufleitung 9 der Brennkraftmaschine 1 durch die entsprechenden Kühlelemente der Brennkraftmaschine 1 zur Vorlaufleitung 4 des Turboladers 2 gefördert, und von dort durch dessen Lagergehäuse 3 zwecks Kühlung des Lagers des Turboladers 2, schließlich gelangt das Kühlwasser vom Turbolader 2 durch die Rücklaufleitung 6 und die zweite Leitung 11 zurück in den Ausgleichsbehälter 8 und von dort erneut in die Vorlaufleitung 9 der Brennkraftmaschine 1. Die das Kühlmittel fördernde Pumpe ist dabei zweckmäßig in der Vorlaufleitung 9 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet, im Kühlkreislauf befindet sich darüber hinaus der eigentliche Kühler für die Kühlflüssigkeit, der gleichfalls zweckmäßig der Vorlaufleitung 9 der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet ist. Auf die Darstellung der Wasserpumpe und des Kühlers wurde deshalb verzichtet, weil die erfindungsgemäße Ausbildung des Flüssigkeitskühlsystems weniger im Bezug zum normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zu sehen ist, sondern vielmehr auf die Kühlung nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine 1 abzielt, also auf einen Betriebszustand des Flüssigkeitskühlsystems, bei dem die Pumpe und der Kühler außer Wirkung sind.
  • Bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 1 ist der Zwangsumlauf des Kühlwassers unterbrochen und es heizt die Nachhitze des Turboladers 2 das Kühlmittel im Lagergehäuse 3 bis zum Siedepunkt auf. Dadurch entsteht - wie aus der Darstellung der Figur 3 zu ersehen ist - im Lagergehäuse 3 Dampf. Dieser schlagartig entstehende Dampf drückt das Wasser in der Rücklaufleitung 6 vor sich her und sowohl durch die erste Leitung 10 als auch durch die zweite Leitung 11 in den Ausgleichsbehälter 8. Voraussetzung hierfür ist, daß der Leitungsquerschnitt der Rücklaufleitung 6 gering genug gewählt ist, um es somit dem Dampf zu ermöglichen, die Kühlmittelsäule in der Rücklaufleitung 6 sowie den beiden Leitungen 10 und 11 vor sich herzutreiben. Das Rückschlagventil 5 in der Vorlaufleitung 4 des Turboladers 2 verhindert, daß Wasser bzw. Dampf unmittelbar vom Turbolader 2 zur Brennkraftmaschine 1 zurückströmt.
  • Anschließend läuft das nicht in den Ausgleichsbehälter 8 gedrückte restliche Wasser in der Rücklaufleitung 6 zurück zum Turbolader 2 bzw. es kondensiert der Dampf in der Rücklaufleitung 6. Wie der Darstellung der Figur 4 zu entnehmen ist, stellt sich ein Wasserstand der Rücklaufleitung 6 ein, der um die bereits in den Ausgleichsbehälter 8 beförderte Kühlmittelmenge niedriger ist, da diese weder durch die oberhalb des Kühlmittelspiegels 12 endende erste Leitung 10 noch wegen des Rückschlagventiles 7 durch die unterhalb des Kühlmittelspiegels 12 endende zweite Leitung 10 zurückfließen kann. So entsteht, wie in Figur 4 gezeigt, wegen der unterschiedlich hohen Wassersäulen am Rückschlagventil 5 der Druckunterschied Δ p. Wegen dieses Druckunterschiedes läuft frisches Kühlmittel durch die Vorlaufleitung 4 am Rückschlagventil 5 vorbei bis zum Druckausgleich nach, dieser Zustand ist in Figur 5 gezeigt.
  • Der Vorgang - aufheizen, verdampfen, ausstoßen von Wasser in den Ausgleichsbehälter 8, nachlaufen aus dem System - läuft nicht gleichmäßig und kontinuierlich ab, sondern zyklisch und schubweise. Er endet, sobald das Lagergehäuse 3 Kühlmittelsiedetemperatur erreicht hat.
    • Bezugszeichenliste
    • 1 Brennkraftmaschine
    • 2 Turbolader
    • 3 Lagergehäuse
    • 4 Vorlaufleitung
    • 5 Rückschlagventil
    • 6 Rücklaufleitung
    • 7 Rückschlagventil
    • 8 Ausgleichsbehälter
    • 9 Vorlaufleitung
    • 10 erste Leitung
    • 11 zweite Leitung
    • 12 Kühlmittelspiegel

Claims (2)

  1. Flüssigkeitskühlsystem für eine durch einen Turbolader (2) aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader über eine Vorlaufleitung (4) und eine Rücklaufleitung (6) mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist und in Betrieb der Brennkraftmaschine eine Zwangsumlaufkühlung erfolgt sowie das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter (8) für die Kühlflüssigkeit aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Vorlaufleitung (4) des Turboladers (2) ein Rückschlagventil (5) befindet und die Rücklaufleitung (6) des Turboladers (2) verzweigt ausgebildet ist, in eine erste Leitung (10), die oberhalb des Kühlmittelspiegels (12) in den Ausgleichsbehälter (8) mündet sowie eine zweite Leitung (11), die unterhalb des Kühlmittelspiegels (12) in den Ausgleichsbehälter (8) mündet und ein Rückschlagventil (7) enthält.
  2. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) eine Vorlaufleitung (9) und eine Rücklaufleitung aufweist, wobei die Vorlaufleitung (9) unterhalb des Kühlmittelspiegels (12) mit dem Ausgleichsbehälter (8) verbunden ist und die Rücklaufleitung die Vorlaufleitung (4) des Turboladers (2) darstellt.
EP90102369A 1989-02-17 1990-02-07 Flüssigkeitskühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0383172B1 (de)

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DE3904801A DE3904801A1 (de) 1989-02-17 1989-02-17 Fluessigkeitskuehlsystem fuer eine aufgeladene brennkraftmaschine
DE3904801 1989-02-17

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EP0383172A2 EP0383172A2 (de) 1990-08-22
EP0383172A3 EP0383172A3 (de) 1991-03-27
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