DE3390316C2 - Verfahren und Kühlsystem zur Verdampfungskühlung von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfungskühlung von Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

STAND DER TECHNIK Auswirkungen der Temperatur auf die Motorleistung

Es ist bekannt, daß der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in hohem Maße temperaturabhängig ist. Aus diesem Grunde kann eine größere Änderung der Motorkühlanlage eine bedeutende Auswirkung auf die Motorleistung haben. Im allgemeinen sind Verbrennungsmotoren, ob Dieselmotoren oder Motoren mit Fremd­ zündung, "Wärmekraftmaschinen" und arbeiten in warmem Zustand wirkungsvoller. Folglich wird nach üblichen Konstruktions­ richtlinien angestrebt, für die Wände der Zylinderbohrungen eine möglichst hohe Temperatur zu erreichen. Aus diesem Grun­ de werden heutige Flüssigkeits-Kühlanlagen unter Druck betrie­ ben. Durch Druck wird der Siedepunkt der Flüssigkeit angeho­ ben, und folglich kann das Kühlmittel bei höheren Temperatu­ ren verwendet werden, ohne daß es "überkocht".

Bei herkömmlichen Kühlanlagen werden jedoch höhere Bohrungs­ temperaturen mit ebenfalls erhöhten Temperaturen am Zylinder­ kopf erkauft. Dies ruft eine vorzeitige Entzündung der Kraft­ stoffladung hervor, die von den meisten Fahrern als "Klopfen" erkannt wird, und örtliche Wärmeschäden, wie z. B. Risse im Metall. Eine weitere Einsicht in die Temperaturwirkung wird aus der Überlegung gewonnen, was mit der Energie des dem Motor eines Kraftfahrzeuges zugeführten Kraftstoffs geschieht. Dies läßt sich ungefähr folgendermaßen darstellen:

Wärmeabführung an die Abgase|33%
Wärmeabführung an die Motorkühlung	29%
indizierte Motorleistung	38%

Die indizierte Motorleistung wird zum Teil aufgezehrt durch Ein-, Durch- und Auspumpen von Gasen in den Verbrennungsräu­ men und durch das Auspuffrohr (6% der gesamten Energiezufuhr), Kolbenringreibung (3%) und sonstige Motorreibung (4%), so daß eine Motorbremsleistung von 25% der zugeführten Energie verbleibt. Bei Kraftfahrzeugen, welche das größte Anwendungs­ gebiet für Verbrennungsmotoren darstellen, wird nur etwa die Hälfte der Bremsleistung schließlich für die Fortbewegung des Kraftfahrzeuges genutzt. Die andere Hälfte geht im Schub­ betrieb, bei Leerlauf und Bremsen, durch Reibung und andere Verluste im Fahrwerk und für das Betreiben von Hilfsaggrega­ ten verloren. Etwa die Hälfte der Energie an den Rädern wird gebraucht, um den Luftwiderstand, der Rest um die Reibung und- Hysterese der Luftreifen zu überwinden.

Die Motortemperatur beeinträchtigt die Wärmeabführung zur Zylinderkühlung und den Wirkungsgrad des thermodynamischen Verfahrens auf verschiedene Weise. Die Motortemperatur hat nachteiligen Einfluß auch auf die Reibungsverluste. Durch die bei herkömmlichen Fahrzeugen notwendige Verwendung eines durch einen Umgebungsluftstrom gekühlten Kühlers wird der Luft­ widerstand größer als bei den wirkungsvolleren Karosserie­ formen, die benutzt werden könnten, wenn der Kühllufteinlaß für den Kühler wegfallen würde.

Grundsätzliche Forderungen hinsichtlich der Motorkühlung

Der Hauptzweck einer Motorkühlanlage besteht darin, den Motor bei sich ändernden Belastungen und Umgebungsbedingungen in­ nerhalb maximaler und minimaler Temperaturgrenzen zu halten.

Der Verbrennungsvorgang in einem Motor erzeugt übermäßig hohe Temperaturen in den Bereichen, in denen das Gemisch entzündet wird, normalerweise im oberen Abschnitt des Verbrennungsraumes bei Kolbenmotoren, und an den Flächen des Auslaßventilsitzes und der Auslaßöffnung. Übermäßige Temperaturen in diesen Be­ reichen rufen Glühzündung hervor, die zum Klopfen des Motors, zu mechanischem Versagen der Motorwerkstoffe und zu erhöhten HC- (Kohlenwasserstoff-) und NO_x- (Stickoxid-)Emissionen füh­ ren. Eine übermäßige Kühlung des Motors hat nachteilige Aus­ wirkungen auf den Kraftstoffverbrauch, auf die Abgasemissio­ nen von HC und CO, Ablagerungen und den Fahrkomfort des Fahr­ zeuges. Temperaturunterschiede im Motor verursachen Wärmever­ formung und Wärmespannungen, die zu Motorabnutzung, Undichtig­ keiten und Versagen führen. Die ideale Kühlanlage stellt da­ her ein Gleichgewicht zwischen diesen Faktoren her, um eine Temperatur aufrechtzuerhalten, die hoch genug ist, um den Kraftstoffverbrauch zu senken, die Emissionen so gering wie möglich zu halten, den Fahrkomfort zu erhalten etc., niedrig genug ist, um vorzeitige Entzündung und mechanisches Versagen auszuschalten, und gleichmäßig genug ist, um Wärmeverformung und die sich daraus ergebenden Schwierigkeiten zu vermeiden.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Forderungen an die Kühlung für einen unter stabilen Betriebsbedingungen be­ triebenen Motor muß eine Kühlanlage weitere, komplizierende Forderungen erfüllen. Die Temperatur des Motors steigt mit zunehmender Motorbelastung. Diese erhöhte Belastung kann be­ dingt sein durch erhöhte Geschwindigkeit, Wechsel der Fahr­ bahnbeschaffenheit, zusätzliches Gewicht im Fahrzeug oder durch viele andere Ursachen. Außerdem haben Erhöhungen der Außentemperatur nachteilige Wirkungen auf Motortemperaturen, weil der Temperaturunterschied zwischen dem Motor und der Kühlluft verringert ist. Aus allen vorstehend angegebenen Gründen ist das Konstruktionsziel eine Kühlanlage, die trotz sich ändernder Motorbelastungen und Umgebungsbedingungen eine gleichmäßige Temperatur aufrechterhalten kann.

Kühlanlagentypen

Der Wärmeübergang durch Strahlung und Konvektion von Verbrennungs­ gasen auf die Verbrennungsraumwände, die Wärmeübertragung durch Leitung durch die Verbrennungsraumwände auf andere Tei­ le des Motors und der Bereich, in dem der Wärmeübergang zwischen dem Metall des Motors und der Kühlanlage stattfindet, sind alle durch die Motorkonstruktion bestimmte Variablen. Als solche liegen diese Faktoren außerhalb der Einflußnahme durch die Auslegung der Kühlanlage und werden zum Zwecke des Vergleichs zwischen verschiedenen Kühlanlagentypen als kon­ stant angenommen.

Luftkühlanlagen

Wegen der kleinen Größenordnung der Wärmeübertragungszahl von Luft ist es zum Herabsetzen der Temperatur in einem Motor erforderlich, daß ein großes Luftvolumen über den Wärmeüber­ tragungsbereich strömt. Infolge der starken Veränderungen der Umgebungsbedingungen, z. B. Umgebungstemperatur und Fahrzeug­ geschwindigkeit und Motordrehzahlen, und wegen der Schwierig­ keit, die Motortemperatur unter Kontrolle zu halten, ist die­ ses Kühlverfahren bei einem Kraftfahrzeugmotor im allgemeinen nicht zufriedenstellend. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zu­ nimmt, vergrößert sich auch das über den Motor strömende Luft­ volumen, und wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt oder das Fahrzeug steht, nimmt das Luftvolumen ab, auch bei Unter­ stützung durch einen großen Ventilator; folglich verringert sich die Kühlwirkung. Außerdem erzeugen verrippte Bereiche örtlich begrenzte überhitzte Stellen zwischen den Berührungs­ stellen zwischen Rippe und Bohrung. Es ist schwierig, die Motortemperatur zwischen geforderten Grenzwerten zu halten, so daß dieses Kühlverfahren für Bodenfahrzeuge unwirksam ist. Weil die Lufttemperaturen in großen Höhen sehr niedrig sind, ist die Luftkühlung bei Luftfahrzeugen im allgemeinen zufrie­ denstellend, wenngleich eine Flüssigkeitskühlung von Luft­ fahrzeugmotoren Vorteile bietet.

Flüssigkeitskühlanlagen

Die üblichste Anlage zur Beeinflussung der Temperaturen in Verbrennungsmotoren ist die Flüssigkeitskühlanlage. Herkömm­ liche Flüssigkeitskühlanlagen arbeiten unter Druck, mit Zwangs­ umwälzung eines flüssigen Kühlmittels mittels einer motorge­ triebenen Pumpe. In der als geschlossener Kreis ausgelegten Anlage wird das flüssige Kühlmittel zwischen dem Wassermantel des Motors, in dem Wärme von den Verbrennungsräumen auf das Kühlmittel übertragen wird, und einem Kühler umgewälzt, in dem Wärme, die das Kühlmittel im Motor absorbiert hat, auf durch den Kühler strömende Luft übertragen wird. Ein Über­ druckventil im Kühlerverschlußdeckel ist auf einen ausreichend hohen Druck eingestellt, um den Siedepunkt des Kühlmittels anzuheben, wodurch verhindert wird, daß das flüssige Kühlmit­ tel innerhalb des normalen Bereiches der Motorbetriebstempe­ raturen entweicht.

Um die Warmlaufzeit des Motors zu verkürzen, ist am Auslaß des Motorwassermantels ein Thermostatventil angeordnet. Dieses öffnet nur dann, wenn die Temperatur einen im voraus fest­ gelegten Wert übersteigt. Bei Kühlmitteltemperaturen unter dem voreingestellten Wert des Thermostatventils kann nur wenig oder kein Kühlmittel zum Motor hin oder von ihm weg strömen, so daß die Temperatur des im Motorkühlmantel einge­ schlossenen relativ kleinen Anteils am gesamten Kühlmittel rasch ansteigt. Der Motor kann somit nach einem Kaltstart rascher wirkungsvoller arbeiten.

Wenngleich herkömmliche unter Druck mit einer einphasigen Flüssigkeit betriebene Kühlanlagen zuverlässig sind und re­ lativ wenig Wartung verlangen, haben sie mehrere natürliche Nachteile. Bei einem Fluid in der flüssigen Phase sind die Wärmeübertragungszahlen für Oberflächenkonvektion relativ niedrig und verändern sich mit der Strömungsgeschwindigkeit. Bei der üblichen Kraftfahrzeug-Kühlanlage strömt gekühlte Flüssigkeit vom Kühler her in den Motorwassermantel am vor­ deren Motorabschnitt unten ein und erwärmte Flüssigkeit tritt aus dem oberen Motorabschnitt aus. Die vorderen Zylin­ der arbeiten damit kühler als die hinteren. Auch ist es schwierig, eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit in den komplexen Strömungskanälen im Innern des Kühlmantels beizubehalten, so daß überall im Motor ört­ lich überhitzte Stellen entstehen. Es wird angenommen, daß diese überhitzten Stellen zur Erzeugung von Stickstoffoxiden in den Motorabgasen beitragen.

Weil die höchsten Temperaturen in den Verbrennungsräumen an den oberen Abschnitten der Zylinder erzeugt werden und der Kühlmittelstrom im Motor im wesentlichen nach oben gerichtet ist, ist der obere Abschnitt jedes Zylinders sehr viel heißer als der untere Abschnitt. Dieser Temperaturunterschied zwi­ schen oberem und unterem Zylinderabschnitt verursacht eine Wärmeverformung des Motorblocks und des Zylinderkopfes mit, als Folge, vermehrtem Übertritt von unverbranntem Gemisch in das Kurbelgehäuse und erhöhtem Ölverbrauch. Die Temperatur­ unterschiede zwischen oben und unten sind Ursache für eine weitere Schwierigkeit, nämlich der Wandabschreckung, die an den relativ kühleren unteren Zylinderwänden eine Schicht un­ verbrannter Gase erzeugt. Dies ist eine Quelle übermäßiger Mengen Kohlenmonoxids und unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen. Sie führt auch zu einer geringeren Kraftstoff­ ausnutzung. Außerdem reagieren Flüssigkeits-Anlagen in hohem Maße und direkt proportional auf Änderungen der Umgebungs­ temperatur.

Verdampfungskühlanlagen

Die Verdampfungskühlung (auch Siedeflüssigkeits- oder Ebul­ lientkühlung genannt) von Verbrennungsmotoren ist seit wenig­ stens siebzig Jahren bekannt und war seitdem Gegenstand zahl­ reicher Bemühungen mit dem Ziel, eine Anlage zu entwickeln, welche die an Motorkühlanlagen gestellten zahlreichen funk­ tionsmäßigen Forderungen zuverlässig, wirkungsvoll, zu gerin­ gen Kosten und praktisch erfüllt. Trotz dieser Bemühungen fand die Siedeflüssigkeitskühlung praktisch keine Anwendung im großtechnischen Maßstab. In den zwanziger Jahren dieses Jahrhunderts wurden einige Kraftfahrzeuge mit Siedeflüssig­ keitsanlagen gebaut, und innerhalb der letzten fünfundzwanzig Jahren wurde die Siedeflüssigkeitskühlung bis zu einem gewis­ sen Grade bei stationären Motoren angewandt, z. B. bei in der Bohrindustrie eingesetzten stationären Motoren. Nichtsdesto­ weniger hat die Siedeflüssigkeitskühlung einige allgemein an­ erkannte Vorteile.

Einer der Vorteile einer Siedeflüssigkeits-Kühlanlage besteht darin, daß die Wärmeübertragungszahlen bei Wärmeübertragung durch Konvektion zum Verdampfen und Kondensieren des Kühlmit­ tels um eine Größenordnung größer sind als der Koeffizient zum Erhöhen der Temperatur einer umgewälzten Kühlflüssigkeit ohne Sieden. Daher ist die Temperatur des Kühlmittels in einer Verdampfungsanlage in allen Teilen des Motors praktisch gleich.

Bei üblichen mit Siedekühlmittel betriebenen Anlagen wird eine Kühlflüssigkeit im Kühlmantel des Motors zum Sieden gebracht, und das verdampfte Kühlmittel wird aus dem oberen Abschnitt des Kühlmantels abgeleitet und entweder direkt oder über ei­ nen Dampf-Flüssigkeits-Trenntank zu einem luftgekühlten Küh­ ler oder Kondensator geleitet. Das Kondensat sammelt sich in einem an den Kondensatorboden angeschlossenen Sumpf und wird zum Einlaß des Motorkühlmantels oder zu einem Vorratsbehälter zurückgeleitet, aus dem es unter Ausnutzung der Schwerkraft­ wirkung zum Motor fließt.

Weil das Sieden (unter der Annahme eines konstanten Druckes) bei einer konstanten Temperatur stattfindet und die Wärme­ übergangszahlen für den Wärmeübergang durch Oberflächen­ konvektion bei Fluiden, die in den dampfförmigen Zustand überführt werden, sehr viel höher sind als die Wärmeüber­ gangszahlen für die gleichen, aber im flüssigen Zustand ge­ haltenen Fluide, können Siedeflüssigkeits-Kühlanlagen die Zylinderwandtemperaturen von oben bis unten noch mehr nahezu konstant halten. Außerdem wird die gesamte Zylinderwand ge­ wöhnlich heißer sein, wodurch die Erzeugung von Kohlenmon­ oxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Abgasen und Reibung vermindert werden und der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.

Jedoch weisen herkömmliche unter Druck betriebene Verdampfungs- Kühlanlagen mehrere Nachteile auf. Ein größeres natürliches Problem ist der Verlust an Kühlmittelmenge in diesen Anlagen, bedingt durch Dampfverluste durch Entlüftungsöffnungen oder Überdruckventile sowie eine größere Gefahr von Undichtigkeits­ stellen in der Anlage, durch die der hohe Druck entweichen kann. Viele Dampf-Kühlanlagen erzeugen ein Überschußvolumen an Dampf, um den Motor auf dem gewünschten Temperaturniveau (100-116°C, 212-240°F) zu halten. Bei einer Hochdruck­ anlage kann es sein, daß der Kondensator, in dem der Dampf in einen flüssigen Zustand zurückverdichtet wird, den Fluid­ strom drosselt, wodurch ein Rückdruck erzeugt wird und sich im Motorkühlmantel Dampf ansammelt. Dieser Rückdruck ver­ drängt die Kühlflüssigkeit im Motorkühlmantel durch Dampf und trägt zu Motorversagen durch Verlust an Kühlung in dem Bereich bei, in dem Dampf das flüssige Kühlmittel verdrängt hat. Eine weitere Schwierigkeit bei den meisten älteren An­ lagen besteht darin, daß mechanisch oder elektrisch angetrie­ bene Ventilatoren für die Kondensatoren und Umwälzpumpen be­ nötigt werden. Aufgrund dieser und anderer Schwierigkeiten sind bekannte Dampf-Kühlanlagen seit den frühen Tagen des Kraftfahrzeuges nicht in großtechnischem Umfang in Kühlanlagen für Kraftfahrzeugmotoren benutzt und wenig auf anderen Gebie­ ten eingesetzt worden.

Bestimmte Vorveröffentlichungen

Über Siedeflüssigkeitskühlung für Verbrennungsmotoren liegen selbstverständlich zahlreiche Patentschriften sowie umfangreiche Literatur für den Fachmann und Nichtfachmann vor. Einige dieser Unterlagen rechtfertigen eine kurze Besprechung an dieser Stelle, weil bestimmte Ausführungsformen der Erfindung einige der in ihnen angegebenen Konzepte benutzen können.

Ein solches Konzept ist die Verwendung eines Kondensators mit einer Kühlfläche, die von einer Außenhautplatte eines Fahrzeuges gebildet ist. Dieser Gedanke wird zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen in der US-PS 1 806 382 (Barlow) vom 19. Mai 1931 und zur Verwendung bei Luftfahrzeugen in der US-PS 1 860 258 (Lynn et al.) vorgeschlagen. Die Barlow-Patent­ schrift beschreibt auch den Vorteil eines solchen Kondensa­ tors, der darin besteht, daß ein Ventilator zum Blasen von Kühlluft durch einen Rohrkondensator entbehrlich ist, und daß der Motorraum mit einer Haube abgedeckt werden kann, die das Eindringen von Staub mindert und die Freisetzung von Rauch­ gasen nach hinten zum Fahrgastraum hin verringert.

Ein anderes für die Erfindung nützliches Merkmal ist, daß der Kondensator auf einem höheren Niveau als der Motorkühl­ mantel angeordnet ist und daß kondensiertes Kühlmittel durch Ausnutzen der Schwerkraftwirkung zum Kühlmantel zurückgelei­ tet wird. Dies macht eine Pumpe entbehrlich. Obenangeordnete Kondensatoren mit Kondensatrückleitung zum Motor durch Aus­ nutzen der Schwerkraftwirkung sind in der Barlow-Patentschrift und in der US-PS 3 082 753 (Bullard) vorgeschlagen.

Der grundsätzliche Mangel herkömmlicher Anlagen

Es ist die Meinung, daß alle früher vorgeschlagenen Siede­ flüssigkeitsanlagen einen grundsätzlichen und entscheidenden Mangel hatten, nämlich daß ein größerer Anteil des Kühlmittels im Kühlmantel des Motor- bzw. Zylinderkopfes unter den meisten Betriebsbedingungen des Motors, außer in der Warmlaufperiode, in der Dampfphase ist. Allgemein gilt, daß das Kühlmittel im Kühlmantel des Zylinderkopfes den Dampf erhält, der sich aus dem Kühlmittel im Block entwickelt. Wenn Dampf aus dem Block und die im Kopf entstandene große Dampfmenge zusammenkommen, insbesondere im Bereich der Auslaßöffnungen und nahe des Doms des Verbrennungsraumes, ist der Gesamtdampfanteil im Kopf- Kühlmantel so groß, daß flüssiges Kühlmittel an den Stellen, wo es am meisten benötigt wird, um Wärme durch Verdampfung abzuführen, in ungenügender Menge zur Verfügung steht, und es entwickeln sich im Verbrennungsraumdom überhitzte Stellen, die bestehen bleiben. Der Dampf im Kopf kann wenig mehr Wärme aufnehmen, und es entstehen Dampftaschen in der Nähe der hei­ ßesten Bereiche, wo sie einem wirkungsvollen Wärmeübergang am meisten abträglich sind.

Das Problem des Vorhandenseins von überschüssigem Kühlmittel­ dampf im Kopf-Kühlmantel kann in engen Abschnitten des Kühl­ mantels besonders schädlich sein, z. B. über den Auslaßöffnun­ gen oder an den Öffnungen, über die der Block-Kühlmantel mit dem Kopf-Kühlmantel in Verbindung steht. In diesen engen Durchlässen können schon kleine Vorsprünge an den Kühlmantel­ wänden den Strom flüssigen Kühlmittels ablenken und eine Stel­ le für eine Dampftasche schaffen, an der eine Überhitzung entstehen und bestehen bleiben kann. Diese Dampftaschen nei­ gen selbst dazu, den Strom flüssigen Kühlmittels zu blockie­ ren oder umzulenken. Folglich läuft der Motor während eines großen Teils der Zeit mit einem beträchtlichen Dampfanteil im Zylinderkopf-Kühlmantel und mit einer ungenügenden Menge flüssigen Kühlmittels, die keinen angemessenen Wärmeübergang ermöglicht.

Die Tatsache, daß die meisten der in der Vergangenheit vor­ geschlagenen und benutzten Siedeflüssigkeits-Kühlanlagen einen heftig siedenden Abgang aus dem Zylinderkopf erzeugt haben, derart, daß zusammen mit dem Dampf eine große Menge flüssiges Kühlmittel ausgestoßen wird und eine Dampf-Flüssig­ keits-Trennung nötig ist, legt das Vorhandensein von über­ schüssigem Dampf nachdrücklich nahe. Noch wichtiger ist, daß vorzeitige Zündung (Klopfen), zweifellos hervorgerufen durch überhitzte Stellen, ein ständiges Problem bei dampfgekühlten Motoren war; vorzeitige Zündung setzt den Wirkungsgrad herab und kann schwere Motorenschäden und schließlich Versagen ver­ ursachen. Dies erfordert schließlich zur Korrektur eine Zu­ rücknahme der Zündvorverstellung (früher Zündzeitpunkt), was zu einem weniger sparsamen Kraftstoffverbrauch führt. Die überhitzten Stellen verursachen auch hohe Wärmespannungen, die zu Rißbildung im Zylinderkopf führen.

Aus der DE 25 58 194 A1 ist eine Verdampfungskühlung für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, bei der als Kühlmittel ein azeotropes Gemisch aus Methylpropylenglykol und Wasser einge­ setzt wird. Dieses Kühlmittel geht bei einem Einsatz in Ver­ brennungs­ motoren vorzugsweise bei 80 bis 85°C vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand über. Das bedeutet, daß aufgrund der im Zylinderkopfbereich von Verbrennungsmotoren herrschenden, wesentlich höheren Temperaturen das Kühlmittel nahezu aus­ schließlich im dampfförmigen Zustand vorliegt, wodurch es auch bei der in der DE 25 48 194 A1 beschriebenen Verdampfungsküh­ lung zu den obenstehend beschriebenen Problemen kommt.

Aus der US PS 3 731 660 ist es bekannt, den bzw. die Zylin­ derköpfe und den Zylinderblock mittels getrennter Kühlkreis­ läufe zu kühlen. Aus der DE 29 40 814 A1 ist bekannt, bei einer wassergekühlten Hubkolben-Brennkraftmaschine lediglich den Zylinderkopf mit einer Wasserkühlung zu versehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kühlsystem zur Verdampfungskühlung von Verbrennungsmotoren bereitzustellen, bei dem trotz der während des Betriebs eines Verbrennungsmotors auftretenden, hohen Temperaturen insbeson­ dere im Zylinderkopfbereich eine verbesserte Kühlung sicher­ gestellt ist.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ver­ dampfungskühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird für das Problem des überschüssigen Kühl­ mitteldampfes im Zylinderkopf eine Lösung vorgeschlagen, die verschiedene Aspekte beinhaltet und auf zahlreiche Ausfüh­ rungsformen anwendbar ist. Durch die Erfindung wird es außer­ dem ermöglicht, nicht nur die anerkannten Vorteile der Siede­ flüssigkeitskühlung zu erzielen, sondern auch zusätzliche Vorteile und überraschende Ergebnisse.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf folgende Weisen durchgeführt werden:

• 1. Das im Verfahren benutzte Kühlmittel hat eine Sättigungs­ temperatur, die über der höchsten von den Wänden des Kühl­ mantels des Motorblocks erreichten Temperatur liegt. Bei die­ ser Ausführungsform wird das Verfahren durch die dem Kühlmit­ tel innewohnende physikalische Eigenschaft durchgeführt. Das Kühlmittel kann nicht verdampfen, außer im Zylinderkopf; folglich kann es dem Kopf-Kühlmantel vom Block-Kühlmantel her zugeführt werden und strömt in den Kopf-Kühlmantel in flüssi­ gem Zustand ein. Zweckdienliche Kühlmittel sind hochmoleku­ lare nichtwäßrige organische Flüssigkeiten mit einer Sätti­ gungstemperatur, die beim Betriebsdruck des Verfahrens höher als etwa 132°C (270°F) ist; einige Beispiele sind Ethylen­ glykol, Propylenglykol, Tetrahydrofurfurylalkohol, Dipropylen­ glykol und 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-monoisobutyrat.
• 2. Das Kühlmittel wird dem Kopf-Kühlmantel ausschließlich und direkt von einem Dampfkondensator her zugeleitet, der vom Motor im dampfförmigen Zustand abgegebenes Kühlmittel erhält und kondensiert. Bei dieser Ausführungsform ist der Kopf-Kühlmantel entweder vom Block-Kühlmantel getrennt (steht mit ihm nicht in Verbindung) oder der Motor hat keinen Block- Kühlmantel.
• 3. Wie im vorstehend beschriebenen Fall 2 wird ein flüssiges Kühlmittel dem Kopf-Kühlmantel ausschließlich von einer Kon­ densatorkammer her zugeleitet. Der Block-Kühlmantel erhält getrennt flüssiges Kühlmittel, zu dem in den Block- und Kopf- Kühlmänteln entstandener Kühlmitteldampf in derselben Konden­ satorkammer kondensiert wurde.
• 4. Auch hier wird, wie in den vorstehend beschriebenen Fäl­ len 2 und 3, Ausgleichskühlmittel dem Kopf-Kühlmantel direkt zugeleitet, in diesem Falle jedoch als Kühlmittelkondensat von einer Kondensatorkammer, die Dampf nur aus dem Kopf-Kühl­ mantel erhält. Dampf vom Block-Kühlmantel wird zu einer zwei­ ten Kondensatorkammer geleitet, aus welcher das Kondensat zum Block-Kühlmantel zurückgeleitet wird. Es bestehen also zwei Dampfkühlkreise, einer für den Zylinderblock und einer für den Zylinderkopf.

Bei allen Ausführungsformen der Erfindung sollte die Sätti­ gungstemperatur im allgemeinen so hoch wie praktisch durch­ führbar sein, unter Berücksichtigung der Vermeidung uner­ wünschter Bedingungen, die zu tun haben, beispielsweise, mit der Haltbarkeit des Motors und von Bauteilen des Fahrzeuges in der Nähe des Motors, mit der Wirksamkeit und Lebensdauer des Motorschmiermittels, und mit der Motorleistung, wie z. B. Instabilität der Flammenfront und Zündungsverzögerung, unver­ nünftige Einstellungen des Zündzeitpunkts, vorzeitige Zündung und Detonation ("Klopfen"), übermäßige Emissionen und ver­ ringerter Wirkungsgrad. Je höher im allgemeinen die Sätti­ gungstemperatur des Kühlmittels ist, bis zu dem durch die vorstehend genannten und möglicherweise auch durch andere Faktoren bestimmten Grenzwert, umso höher wird die Tempera­ tur der Masse des Motors und umso niedriger das Niveau der Wärmeabführung sein. Folglich wird der Wirkungsgrad des Mo­ tors höher sein. Selbstverständlich werden Motoren verschie­ dener Konstruktion auf verschiedene Kühlmittel auf verschie­ dene Weise reagieren, und bei der Wahl eines Kühlmittels sind verschiedene Kompromisse sicherlich möglich, wenn nicht wahrscheinlich. Beispielsweise kommt es bei Dieselmotoren nicht zu Frühzündungen, zu denen Motoren mit Fremdzündung fä­ hig sind; folglich kann ein Dieselmotor, der mit einer Kühl­ anlage entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung ausge­ stattet ist, ein Kühlmittel mit einer Sättigungstemperatur verwenden, die höher ist als die von Kühlmitteln, welche bei Motoren mit Fremdzündung zweckdienlich sind.

Wie oben kurz besprochen, wird angenommen, daß Siedeflüssig­ keits-Kühlanlagen für Verbrennungsmotoren einen bisher nicht erkannten grundsätzlichen und entscheidenden Mangel aufwei­ sen, nämlich zu viel Kühlmitteldampf und nicht genügend Kühl­ flüssigkeit im Kopf-Kühlmantel. Das für herkömmliche Anlagen allgemein empfohlene und in ihnen verwendete Kühlmittel ist Wasser. Selbst wenn dem Kühlwasser ein Gefrierschutzmittel von hoher Siedetemperatur beigemischt ist, liegt die Sätti­ gungstemperatur des Kühlmittels je nach Anlagendruck im Be­ reich zwischen 104°C und 116°C (220°F bis 240°F). Es wur­ de festgestellt, daß die Kühlmitteltemperaturen im Block um 16°C bis 28°C (30°F bis 50°F) über diesem Bereich lägen, würde der Block nicht Wärme an das Kühlwasser im Kühlmantel abgeben. Die in diesem Bereich abgeführte Wärme ist die Ur­ sache für die ständige Umwandlung von flüssigem Kühlmittel in Dampf. Der so entstehende Dampf steigt in dem vom Kühl­ mantel eingeschlossenen Raum um den Block nach oben, tritt in den Kopf-Kühlmantel ein, steigt weiter nach oben und tritt schließlich oben aus dem Kopf-Kühlmantel aus. In dem Maße, wie dieser Dampf ständig Raum im Kopf-Kühlmantel ein­ nimmt, wird flüssiges Kühlmittel verdrängt. Unter einigen Be­ triebsbedingungen ist das Flüssigkeits-Dampf-Verhältnis im Kopf-Kühlmantel in wichtigen Bereichen ungenügend, und die Kühlung in diesen Bereichen ist unzulänglich.

Bei der oben kurz beschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung ist das dem Kopf-Kühlmantel zugeleitete Kühlmittel in flüssigem Zustand, weil die Sättigungstemperatur höher ist als die maximale Wandtemperatur des Block-Kühlmantels. Bei Prototypen der Kühlanlage gemäß der Erfindung wurde festge­ stellt, daß die Temperaturen in der Nähe einer Zylinderwand bei Vollast 121°C (250°F) in der Mitte der Hublänge und etwa 132°C (270°F) am oberen Totpunkt betragen, wenn der Motor mit dem flüssigen Kühlmittel bei 149°C (300°F) be­ trieben wird. Somit strömt das Kühlmittel im wesentlichen im flüssigen Zustand aus dem Block-Kühlmantel aus und in den Kopf-Kühlmantel ein.

Die Verwendung eines Kühlmittels mit einer Sättigungstempera­ tur höher als die Kühlmanteltemperatur im Zylinderblock schwächt nicht nur das Problem des Dampfüberschusses im Kopf ab, einfach weil vom Block her kein Dampf in den Kopf ein­ strömt, sondern bringt weitere wichtige vorteilhafte Auswir­ kungen. Erstens sind die Zylinderwände heißer als bei Kühlung mit Wasser (im flüssigen oder siedenden Zustand), wodurch es zu einer vollständigeren Verbrennung des Kraftstoffes durch Milderung der Abschreckung (Erlöschen der Flamme in der Nähe der kühlen Wände des Zylinders während des Arbeitshubes) kommt. Die heißeren Wände bedeuten auch weniger Wärmeabführung und höheren thermischen Wirkungsgrad sowie eine Herabsetzung der Reibung aufgrund verringerter Ölviskosität. Die Bohrung ist von oben bis unten von gleichmäßigerem Durchmesser und gleich­ mäßigerer Rundheit, wodurch weniger unverbranntes Gemisch in das Kurbelgehäuse eintritt und die Ringnuten, die Zylinder­ wände und die Ringe geringerer Abnutzung unterliegen. Die Wandtemperatur bleibt beträchtlich über dem Taupunkt des Was­ serdampfes in den Verbrennungsgasen, so daß an den Zylinder­ wänden kein Wasser kondensiert, das in das Öl gelangen und Schlamm und Säuren bilden kann.

Das Ergebnis der Erhöhung der Zylinderwandtemperatur hat meh­ rere untereinander zusammenhängende Auswirkungen auf die Zünd­ verstellung, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme und den Oktanzahlbedarf. Normalerweise ist bei einem herkömmli­ chen Motor mit Flüssigkeits-Zwangsumlaufkühlung infolge der erhöhten Motortemperaturen die Verwendung eines Kraftstoffs von hoher Oktanzahl erforderlich. Auf die Erfindung trifft jedoch der umgekehrte Fall zu. Die heißeren Zylinderwandober­ flächen neigen dazu, den Zündverzug (ebenso wie die periodi­ sche Schwankung des Zündverzugs) zu verringern, wodurch eine deutliche Verkürzung der Zeit eintritt, die zum Erreichen des Spitzenverbrennungsdruckes nach Zündung benötigt wird. Hierzu tragen die kühleren Zylinderkopfflächen durch Verrin­ gern der "überhitzten Stellen" ergänzend bei. Motoren mit Kühlanlagen gemäß der Erfindung vertragen aus diesem Grunde beträchtlich mehr Frühzündung im unteren Bereich, erfordern aber bedeutend weniger Gesamtfrühzündung im oberen Bereich als auf herkömmliche Weise gekühlte Motoren.

Bei richtiger Einstellung der Zündverstellung ist der Oktan­ zahlbedarf eines gemäß der Erfindung gekühlten Motors tat­ sächlich herabgesetzt. Obwohl das Zylinderendgas eine höhere Temperatur hat, bewirkt die Kombination von größerer Flammen­ ausbreitungsgeschwindigkeit mit der Beseitigung von Detona­ tion hervorrufenden überhitzten Stellen an der Verbrennungs­ raumfläche, daß die Flammenfront den Verbrennungsraum voll­ ständig durchquert, bevor das Endgas eine Möglichkeit zur Selbstentzündung hat. Außerdem ermöglicht es die deutlich verringerte periodische Schwankung des Zündverzugs, den Motor sehr viel näher an der Klopfgrenze zu betreiben, ohne daß es zu gelegentlichem, durch langsame Verbrennung oder Zündverzug induziertem Klopfen kommt.

Flüssiger Kraftstoff brennt nicht. Es leuchtet daher ein, daß, weil Kraftstoff in Form von Flüssigkeitstropfen in den Motor eingeleitet wird, er auf seinem Weg durch das Vergaser­ mischrohr, die Einlaßöffnungen, Ventile, während des Ansaug- und des Kompressionshubes und sogar während der Verbrennung zerstäubt werden muß. Es ist üblich, daß ein großer Anteil des Kraftstoffs im Zeitpunkt der Entzündung in flüssigem Zu­ stand bleibt.

Daraus entstehen drei Schwierigkeiten. Erstens, das brennbare Gemisch, in der gasförmigen Phase, ist magerer als das Gesamt- Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das die Kraftstoffanlage geliefert hat, wodurch Ausbreitungsgeschwindigkeit und Temperatur der Flamme herabgesetzt werden. Zweitens, die zum Zerstäuben die­ ses flüssigen Kraftstoffs benötigte Wärme wird der Flamme weggenommen, wodurch deren Ausbreitungsgeschwindigkeit und Temperatur verringert werden. Drittens, von diesem flüssigen Kraftstoff gelangt ein Teil in die Abschreckschicht, wodurch die Menge an Kraftstoff, der nicht verbrannt wird, vergrößert wird. Bei dem Kühlverfahren gemäß der Erfindung wird die Tem­ peratur der Motorgesamtbohrung (des Hubraumes) und der Ansaug­ kanäle erhöht, wodurch eine vollständigere Zerstäubung des Kraftstoffes vor Entzünden der Flamme begünstigt wird. Dies läßt mehr Verbrennungsenergie zur Umwandlung in Arbeit zur Verfügung stehen und weniger Kraftstoff in der Abschreck­ schicht. Eine vollständigere Zerstäubung des Kraftstoffs in der Ansaugleitung führt zu einer größeren Gleichmäßigkeit des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses zwischen den Zylindern. Dieses Merkmal ermöglicht seinerseits wirkungsvolleres Ein­ stellen des Kraftstoff-Luft-Gemischs, eine zufriedenstellen­ dere Leistung bei wechselnden Kraftstoffen, oder beides. Eine wirkungsvollere Kraftstoffzerstäubung ermöglicht eine besse­ re Ausnutzung fossiler Kraftstoffe und ist eine absolute Not­ wendigkeit, wenn als Kraftstoff Alkohole oder Destillate mit niedriger Oktanzahl verwendet werden.

Eine verbesserte Gemischaufbereitung führt zu größerem Fahr­ komfort, der es dem Fahrer ermöglicht, das Gaspedal weniger aggressiv zu betätigen, und ergibt sparsameren Kraftstoff­ verbrauch. Kontrollierte Laborversuche haben bei mit der Er­ findung ausgestatteten Motoren einen um 10% bis 13% sparsame­ ren Kraftstoffverbrauch ergeben.

Aufgrund sowohl der niedrigeren Kraftstoffkonzentration in der Abschreckschicht als auch der geringeren Dicke der Ab­ schreckschicht setzt die Siedeflüssigkeitskühlung die Emis­ sionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmon­ oxid deutlich herab. Die Abschreckschicht ist in der Techno­ logie der Verbrennungsmotoren bekannt und wird als eine Schicht unverbrannten flüssigen Kraftstoffs mit einer Dicke von etwa 0,18 bis 0,38 mm (0,007 bis 0,015 engl. Zoll) an der Oberfläche der Zylinderwand beschrieben. Ihre Konzentration und Dicke sind zum Wärmeniveau der Wandtemperatur umgekehrt proportional und gehen bei Ansteigen der Wandtemperatur dra­ stisch zurück. Dies geschieht deshalb, weil bei niedrigeren Temperaturen, etwa 82°C bis 93°C (180°F bis 200°F), die Zylinderwand ein Schmarotzer der Brennflamme ist, indem sie ihr (durch Absorption) genügend Wärme entzieht, um sie am Durchbrennen bis zur Wandoberfläche zu hindern. Die hohen Wandtemperaturniveaus gemäß der Erfindung begrenzen dieses schmarotzende Verhalten der Zylinderwand so weit wie möglich dadurch, daß die Flamme näher an die Wand durchbrennen und die Abschreckschicht verringern kann. Außerdem wird aufgrund einer vollständigeren Verbrennung und einer verlängerten Flammenbrenndauer eine Herabsetzung der Kohlenmonoxidemissio­ nen beobachtet.

Da bei einem Motor, der mit einer herkömmlichen Flüssigkeits- Kühlanlage ausgestattet ist, die Oberflächentemperaturen des Zylinderkopfes auf übermäßige Höhen ansteigen, nehmen, bei Konstanthaltung aller übrigen Variablen, die Stickstoffoxid­ emissionen bei erhöhten Motorentemperaturen leicht zu. Die Erfindung jedoch und die erhöhte Kühlgeschwindigkeit (Kühl­ leistung) des Zylinderkopf-Kühlmantels hinter der Verbren­ nungsraumfläche ermöglichen ein Absenken der Oberflächentem­ peraturen in den Zylinderkopf-Verbrennungsräumen, obwohl die Betriebstemperatur der Masse des Motors beträchtlich erhöht worden ist, beispielsweise um 38°C (100°F) oder mehr. Dies wird dadurch erreicht, daß die Dampfsättigung des Kühlmittels in den Zylinderkopf-Kühlmänteln so weit herabgesetzt worden ist, daß für die hinsichtlich der Wärme kritischen Bereiche des Zylinderkopfes eine Menge dampffreien flüssigen Kühlmit­ tels verfügbar ist, die ausreicht, damit die allein bei der Siedeflüssigkeitskühlung vorhandene erhöhte Wärmeübertragungs­ fähigkeit (hohe Wärmeübertragungszahl) diese kritischen Be­ reiche genügend kühl halten kann, um das Entstehen von über­ hitzten Stellen auf den Verbrennungsraumflächen des Zylinder­ kopfes zu verhindern.

Um die Dampfmenge im Zylinderkopf-Kühlmantel so klein wie möglich zu halten, ist es wichtig, den Dampf vom Kopf-Kühl­ mantel mit einer (oder mehreren) Leitung(en) von ausreichend großen Abmessungen wegzuführen, um den Druckunterschied zwi­ schen dem Kühlmantel und der Kondensatorkammer klein, vorzugs­ weise auf weniger als etwa 7 kPa (1 engl. Pfund/Quadratzoll), zu halten. Ferner muß darauf geachtet werden, den möglichen Einschluß von Dampf in einem höhergelegenen Abschnitt des Kühlmantels in jedem Betriebszustand des Motors zu vermeiden. Bei Fahrzeugen bedeutet dies, daß das Befahren von Steigungs- und Gefällestrecken berücksichtigt werden muß. Bei einigen Konstruktionen können zwei oder mehr Dampfabführleitungen oder ein Sammler erforderlich sein.

Wenn einmal diese überhitzten Oberflächenstellen (die gele­ gentlich rot glühen können) so weit wie möglich oder gänzlich beseitigt sind, kann der Motor die größere Flammenausbreitungs­ geschwindigkeit und die höheren Verbrennungstemperaturen und -drücke ohne weiteres vertragen, ohne Selbstentzündung (Deto­ nation) und höhere Anteile an NO_x hervorzurufen und geringere Zündvorverstellung im höheren Bereich nötig zu machen.

Weil die Dicke der Abschreckschicht und ihr natürlicher Ge­ halt an unverbranntem bzw. flüssigem Kraftstoff so weit wie möglich verkleinert worden und die Zylindertemperaturen höher sind, wird außerdem ein größerer Teil des in der angesaugten Ladung enthaltenen Kraftstoffs verbrannt, und es bleiben we­ niger Kraftstoffrestteilchen zurück, die sich ablagern. Bei mit der Erfindung ausgestatteten Motoren sind üblicherweise nach einer Betriebsdauer von 40 000 km (25 000 Meilen) keine Kohlenstoffablagerungen festzustellen. Durch die Ausschaltung von Kohlenstoffablagerungen (die auch glühen) wird Frühzün­ dung (vorzeitige Zündung) so gering wie möglich gehalten und es werden günstigere Einstellungen des Zündzeitpunktes er­ möglicht, gewöhnlich eine stärkere Vorverstellung im unteren Bereich.

Durch die Einstellung des Zündzeitpunktes, des Luft-Kraftstoff- Verhältnisses und der wiederumlaufenden Abgasmenge auf mög­ lichst günstige Werte wird eine Reduzierung gleichzeitig bei allen drei Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs er­ reicht.

Bei Dieselmotoren wird die Zündung durch das Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungsräume gesteuert. Wenngleich überhitzte Stellen auf Flächen der Verbrennungsräume bei einem auf herkömmliche Weise gekühlten Dieselmotor bestehen, verursachen sie, anders als bei einem Motor mit Funkenzündung, keine vorzeitige Entzündung. Nichtsdestoweniger können durch das Vorhandensein von überhitzten Stellen hervorgerufene Wär­ mespannungen in den Zylinderköpfen von Dieselmotoren Schäden dadurch verursachen, daß der Werkstoff arbeitet, Risse bekommt und erodiert. Diese Wärmespannungen werden bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung durch Beseitigen von überhitz­ ten Stellen gemildert.

Höhere Bohrungstemperaturen in Dieselmotoren verringern das Entstehen von Feststoffteilchen in den Abgasen und erhöhen gleichzeitig den Wirkungsgrad, mit dem die Kraftstoffenergie in Nutzleistung umgesetzt wird. Sowohl bei Motoren mit Fremd­ zündung als auch solchen mit Selbstzündung ergeben die erhöh­ ten Bohrungstemperaturen als Folge der Anwendung des Verfah­ rens gemäß der Erfindung größere Motorleistung, wobei die Mo­ toren gleichzeitig sauberer arbeiten.

Die erfindungsgemäß verwendeten Kühlmittel mit hohem Siede­ punkt haben eine höhere molare Verdampfungswärme als Wasser. Folglich ist, bei sonst gleichen Bedingungen, die Menge des im Zylinderkopf erzeugten Dampfes kleiner als bei Wasser. Dies bedeutet weniger Mol Dampf im Kopf-Kühlmantel bei einer gegebenen Wärmeabführgeschwindigkeit. Außerdem löst sich bei hochmolekularen organischen Kühlmitteln Dampf von den heißen Wänden des Kühlmantels rascher als bei Wasser. Bei diesen be­ vorzugten Kühlmitteln ist die Oberflächenspannung sehr viel kleiner. Somit trennen sich die Dampfblasen rascher von der Wand und machen Platz für flüssiges Kühlmittel, das hinter den entweichenden Blasen rasch nachdrängt und die Wand benetzt. Ferner ist der Wärmeübergang von einer Fläche, die gekühlt wird, auf eine Flüssigkeit, die in Dampf umgewandelt wird, um ein Mehrfaches größer, wenn die Verdampfung direkt an der Heizfläche (Blasensieden) statt durch einen abdeckenden Gas­ film hindurch (Filmsieden) stattfindet. Beobachtungen legen nahe, daß im Vergleich zu Wasser die Verwendung von organi­ schen Kühlmitteln mit höherer Sättigungstemperatur die Voraus­ setzungen für Blasensieden statt für Filmsieden begünstigt.

Die genannten Punkte ergeben zusammen aufgrund des Vorhanden­ seins eines beträchtlich größeren Flüssigkeit-Dampf-Verhält­ nisses im Zylinderkopf-Kühlmantel eine wirkungsvollere Kühlung des Zylinderkopfes als bei herkömmlichen Siedeflüssigkeits- Kühlverfahren.

Bei einer wünschenswerten Ausführungsform einer Anlage gemäß der Erfindung ist die Kondensatorkammer für unbehindertes Ein- und Aus­ strömen des Kühlmitteldampfes ausgelegt, um eine rasche und wirkungsvolle Kondensation zu begünstigen und eine Anordnung oberhalb des Motors zu ermöglichen, bei der ein Zuströmen des Kondensats zum Motor unter Ausnutzung der Schwerkraftwirkung möglich ist. Bei dieser Durchführungsweise des Verfahrens und bei Ausführungsformen der Vorrichtung, in denen ein hochgelegener Kondensator günstige Bedingungen für konvektive Dampfströmung und eine Kondensatrückleitung unter Ausnutzung der Schwer­ kraftwirkung schafft, weist die Kühlanlage keine beweglichen Bauteile auf. Durch den Wegfall einer Kühlmittelpumpe, eines Ventilators zum Kühlen des Kondensators, von Riemen mit An­ trieben, aller Thermostate und eines teueren Rohrwärmetau­ schers sind die Kosten der Anlage niedriger als bei heutigen Flüssigkeitsanlagen mit Pumpe und den meisten bisher bekann­ ten Siedekühlanlagen.

Die Kondensatorkammer kann auch unterhalb des Dampfauslasses angeordnet sein, jedoch wird dann die Verwendung einer Kon­ densatrückförderpumpe notwendig. Diese Konfiguration ermög­ licht bei einer bestimmten Fahrzeugkonstruktion eine Anordnung des Kondensators in der vorteilhaftesten Weise, z. B. hinter der Stoßstange eines Kraftfahrzeuges oder neben der Motor­ ölwanne. In solchen Anwendungsfällen kann der Nachteil, der sich aus der Verwendung einer Kondensatrückförderpumpe ergibt, als Kompromiß mehr als ausgeglichen werden durch, beispiels­ weise, günstigste Ausnutzung von verfügbarem Raum im Fahrzeug oder durch Verbesserung der Windschlüpfigkeit des Fahrzeuges. Die Anordnung eines Kondensators auf geringerer Höhe als der Bereich, in dem der Dampf erzeugt wird, bietet für das Kon­ densieren von Dampf eines hochmolekularen Kühlmittels keine Schwierigkeiten insofern, als niedermolekulare gasförmige Verunreinigungen wie z. B. Luft oder Wasserdampf auf ein Ni­ veau über dem schwereren Kühlmitteldampf verdrängt werden, wogegen der Dampf unter Ausnutzung der Schwerkraftwirkung ohne weiteres nach unten strömt. Dagegen besteht bei herkömm­ lichen Dampfkühlanlagen die Schwierigkeit, daß Luft, die in einer unterhalb des Dampfauslasses angeordneten Kondensator­ kammer enthalten ist, sich der Verdrängung durch Wasserdampf widersetzt, weil sie ein höheres Molekulargewicht als der Wasserdampf hat.

Weil die Erfindung bei Atmosphärendruck oder, vorzugsweise, geringen Überdrücken, von z. B. 35 kPa (5 engl. Pfund/Quadrat­ zoll) betrieben wird, ist die Verwendung von weniger kost­ spieligen und bequemer montierbaren Schläuchen und Schlauch­ armaturen möglich. Bei einer mit Atmosphärendruck oder ge­ ringem Überdruck betriebenen Anlage ist die Gefahr von Kühl­ mittelleckage in hohem Maße verringert, und wenn eine Undich­ tigkeitsstelle entsteht, sollte der Kühlmittelverlust in der Zeit so gering sein, daß das Fahrzeug über viele Kilometer zu einer Werkstatt gefahren werden kann, ohne daß die Motor­ temperatur ansteigt oder Schaden entsteht. Undichtigkeits­ stellen in den Schläuchen oder Kondensatoren lassen sich un­ terwegs oder in einer Werkstatt bequem und wirkungsvoll mit­ tels Klebeband provisorisch schließen, und eine dauerhafte Reparatur kann auf einen für den Fahrzeugeigentümer passen­ deren Zeitpunkt verschoben werden. Wegen des niedrigen Be­ triebsdrucks des Kondensators lassen sich Unterwegsreparatu­ ren an ihm mit einem einfachen Epoxidflicken oder mit hoch­ festem Klebeband durchführen.

Die Erfindung ist mit großem Vorteil auf Kolben-Ottomotoren mit Vergaser und Kraftstoffeinspritzung, Dieselmotoren und Wankelmotoren anwendbar. Alle Motorentypen können bei allen Fahrzeugtypen verwendet werden, einschließlich Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Flugzeugen, selbstfahrenden Schienenbussen, Eisenbahnlokomotiven und Wasserfahrzeugen, und als stationäre Motoren. Stationäre Motoren könnten, bei beschränkten Raum­ verhältnissen, eine Ventilatorkühlung für den Kondensator oder, wenn es auf Raum nicht ankommt, einen großen Kondensa­ tor ohne Luftzwangskühlung erfordern.

Mit der Erfindung ausgestattete Fahrzeuge können mit geringe­ rem aerodynamischem Widerstand konstruiert werden, weil der herkömmliche Kühler, der mit in ein Fahrzeugteil einströmen­ der Luft gekühlt wird, durch eine außenliegende Karosserie­ platte ersetzt werden kann. Beispielsweise kann die Front­ partie eines Kraftfahrzeuges oder die Verkleidung eines Flug­ zeugmotors zur Verringerung des Widerstandes geschlossen sein; folglich wird eine bessere Leistung mit demselben Motor oder die gleiche Leistung mit einem kleineren Motor erreicht. Bei einem Flugzeug kann die Kondensatorkammer in die Oberfläche des Flügels eingebaut werden; in diesem Falle kann sie die Enteisungsfunktion ganz oder zum Teil wahrnehmen.

Bei flüssigkeitsgekühlten Flugzeugmotoren tritt häufig ein Problem der Überhitzung auf, wenn das Flugzeug auf die Start­ freigabe wartet. Der Kühler hat nicht die Kühlleistung für die verhältnismäßig hohe Bodentemperatur und für den verhält­ nismäßig schwachen Propellerluftstrom während des Stillstands oder Rollens. Der Oberflächenkondensator kann ohne weiteres so ausgelegt werden, daß er, praktisch ohne Gewichtserhöhung, die Bedingungen am Boden ausgleicht, und eine konstante Motor­ temperatur kann aufrechterhalten werden, wenn das Flugzeug in kalte Luftschichten aufsteigt. Die Erfindung schafft also einen Gewichtsvorteil, nicht nur bei Luftfahrzeugen, sondern bei allen Fahrzeugen, weil die Kühlmittelfüllmenge sehr viel kleiner ist als die, welche bei einer Flüssigkeits-Kühlanlage vergleichbarer Leistung erforderlich ist.

Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wer­ den bestimmte Ausführungsformen bevorzugt. Wie oben erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn kondensiertes Kühlmittel zum Kühl­ mantel des Zylinderkopfes unter Ausnutzung der Schwerkraft­ wirkung von einer Dampfkondensatorkammer her zurückgeleitet wird, die einen über dem oberen Abschnitt des Kopf-Kühlmantels angeordneten Auslaß aufweist. Bei einer die Schwerkraftwir­ kung ausnutzenden Anlage entfällt eine Pumpe und es ist außer­ dem sichergestellt, daß kein Dampf zum Kühlmantel zurückge­ leitet wird, vorausgesetzt natürlich, daß der Kondensator genügend Kapazität zum Kondensieren von allem ihm zugeleiteten Dampf hat. Bei vielen bisher vorgeschlagenen Anlagen war es möglich, daß zusammen mit Kondensat Dampf zum Kühlmantel zu­ rückgeleitet wurde.

Gemäß einem anderen Lösungsgedanken der Erfindung wird eine Verbesserung bei Fahrzeugen erreicht, die von Verbrennungs­ motoren angetrieben werden, welche mit Siedeflüssigkeit ge­ kühlt werden und, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine Oberflächenkondensatorkammer aufweisen, von der eine Kühl­ fläche eine nach oben weisende Außenhautplatte des Fahrzeuges ist, die mit zumindest annähernd waagerechter Ausrichtung in allen normalen Lagen des in Betrieb befindlichen Fahrzeuges oberhalb des Motors angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine hochmolekulare orga­ nische Flüssigkeit ist mit einer Sättigungstemperatur von nicht weniger als etwa 132°C (270°F) bei atmosphärischem Druck und einer Oberflächenspannung von weniger als etwa 70 dyn/cm bei einer Temperatur von 15°C (59°F). Beispiele sol­ cher Kühlmittel sind weiter oben angegeben.

Bei einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Kühlmäntel für den Motorblock und den Zylinderkopf und zwei Kühlmittelumlaufkreise vorge­ sehen sind, von denen einer zwischen dem Block-Kühlmantel und der Kondensatorkammer und einer zwischen dem Kopf-Kühl­ mantel und der Kondensatorkammer angeordnet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Oberflächenkondensatorkammer vorgesehen ist mit Kühlflächen, zu denen eine Außenhautplatte eines Fahrzeuges gehört, die in allen normalen Lagen des in Betrieb befindlichen Fahrzeuges oberhalb des Motors angeord­ net ist. Es sind getrennte Kühlmäntel für den Zylinderblock und den Zylinderkopf des Motors und getrennte Kühlmittelum­ laufkreise vorgesehen, von denen einer zwischen der ersten Kondensatorkammer und dem Block-Kühlmantel und einer zwischen der zweiten Kondensatorkammer und dem Kopf-Kühlmantel ange­ ordnet ist.

Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderblock kein Kühlmantel vorgesehen ist und die Ein- und Auslaßleitungen beide an die Kondensatorkammer und den Kopf-Kühlmantel angeschlossen sind.

Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte Endansicht im Schnitt eines Kolben- Verbrennungsmotors, der mit einer Ausführungsform der Kühlanlage gemäß der Erfindung ausgestattet ist,

Fig. 2 eine vereinfachte Endansicht im Schnitt eines Kolben- Verbrennungsmotors, der mit einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung ausgestattet ist,

Fig. 3 eine vereinfachte Endansicht im Schnitt eines Kolben- Verbrennungsmotors, der mit einer dritten Ausführungs­ form der Erfindung ausgestattet ist,

Fig. 4 eine vereinfachte Endansicht im Schnitt eines Kolben- Verbrennungsmotors, der mit einer vierten Ausführungs­ form der Erfindung ausgestattet ist,

Fig. 5 eine vereinfachte Endansicht im Schnitt eines Wankel- Motors mit einer Siedeflüssigkeits-Kühlanlage ent­ sprechend der Erfindung,

Fig. 6 eine vereinfachte Seitenansicht der Frontpartie eines mit der Kühlanlage ausgestatteten Kraftfahrzeuges und

Fig. 7 eine vereinfachte Seitenansicht des Bugendes eines mit der Kühlanlage ausgestatteten Flugzeuges.

Verfahren für die Durchführung der Erfindung

Die schematischen Darstellungen in Fig. 1 bis 4 von Kolben- Verbrennungsmotoren sollen repräsentativ für jeden Kolben- Verbrennungsmotor nach dem Stand der Technik sein, gleich­ gültig ob er ein benzinbetriebener Ottomotor oder ein Diesel­ motor ist. In den Fig. 1 bis 4 sind die einander entsprechen­ den Hauptbauteile des Motors mit denselben Bezugszeichen be­ zeichnet. Zu diesen Hauptbauteilen gehören eine Ölwanne 10, ein Block 12 mit einem oder mehr in ihm ausgebildeten Zylin­ dern 14, in denen sich Kolben 16 über einem Hubweg hin- und herbewegen, der von einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle und einer Pleuelstange 18 bestimmt wird. Jeder Zylinder 14 ist von einem Block-Kühlmantel 20 umgeben. Mit dem Block 12 ist ein Kopf 22 verschraubt, der gegen den Block mit einer Kopfdichtung 24 abgedichtet ist. Der Motor- bzw. Zylinderkopf 22 hat einen Kopf-Kühlmantel 26. Aus Gründen der Vereinfachung sind die in den Kopf eingebauten Ein- und Auslaßventile und die Ansaug- und Auslaßöffnungen nicht dargestellt. Der Ventil­ deckel ist mit 28 bezeichnet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist der Block-Kühlmantel 20 mit dem Kopf-Kühlmantel 26 über Durchlässe 30 verbunden. Eine Leitung 32 ist an den oberen Abschnitt des Kopf-Kühlmantels 26 und an eine Kondensator­ kammer 34 angeschlossen, deren obere Wand eine Platte 36 aus einem Werkstoff ist, der eine verhältnismäßig hohe Wärme­ leitfähigkeit hat. Jedes Metall ist völlig zufriedenstellend, und Kunststoffe, in die zur Verleihung von Wärmeleitfähigkeit Metallpulver eingelagert ist, können ebenso verwendet werden.

Diese Form von Wärmetauscherkammer hat für die Verwendung in Fahrzeugen wie z. B. Personenkraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Luftfahrzeugen, Lokomotiven u. dgl. Vorteile, weil die Platte 36 eine Außenhautplatte des Fahrzeuges und somit, wenn sich das Fahrzeug bewegt, einem Luftstrom zur verbesserten Wärmeabfuhr ausgesetzt sein kann. Die Kammer 34 ist ferner von einem wannenähnlichen Bauteil 38 begrenzt, das mit der Platte 36 in zweckdienlicher Weise verbunden und gegen sie abgedichtet ist. Das wannenähnliche Bauteil 38 kann mit der Platte 36 beispielsweise mittels eines Klebstoffs und eines gewalzten umgebogenen Randes fest verbunden sein. Um die Kon­ densation des Dampfes zu begünstigen, sollte das Bauteil 38 eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die Wanne 38 der Kam­ mer 34 hat einen Kollektorabschnitt 40, von dem eine Konden­ satrückleitung 42 zum unteren Abschnitt des Block-Kühlmantels 20 zurückgeführt ist.

Anstelle einer Dampfabführleitung und einer getrennten Kon­ densatrückleitung kann eine einzige Leitung, die den oberen Abschnitt des Zylinderkopfes mit einer tiefgelegenen Stelle in einem oberhalb des Kopfes angeordneten Kondensator verbin­ det, beide Funktionen der Dampfabführung und der Kondensat­ rückführung erfüllen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt und wird weiter unten beschrieben.

Die Kühlmäntel 20 und 26 und die Leitungen 32 und 42 sind, wie in Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie A dargestellt, mit Kühlmittel bis zu einem Niveau wenig oberhalb des oberen Abschnitts vom Kopf-Kühlmantel 26 gefüllt. Wenn sich der Mo­ tor erwärmt, dehnt sich das Kühlmittel aus, im allgemeinen um etwa 2 bis 4 Prozent, so daß das Kühlmittelniveau im warm­ gelaufenen Motor auf etwa das mit der gestrichelten Linie B dargestellte Niveau ansteigt. Die für eine Kühlanlage ent­ sprechend der Erfindung erforderliche Menge Kühlmittel ist sehr viel kleiner als die Menge, die bei einer Kühlanlage mit Flüssigkeits-Pumpenförderung benötigt wird, insofern als der Kondensator sehr wenig Kühlmittel enthält. Bei einem ge­ wöhnlichen Vierzylindermotor beträgt beispielsweise die Kühl­ mittelfüllung etwa 3,3 Liter. Wegen der kleinen Kühlmittelmenge nimmt eine kleine Kühlmittelmasse Wärme vom Motor während des Warmlaufens auf und der Motor läuft rasch warm. Außerdem ist das Warmlaufen weicher als bei einer Kühlanlage mit durch eine Pumpe geförderter flüssiger Phase, insofern als kein Thermostatventil oder ihm äquivalentes Bauteil Veränderungen der Strömungsgeschwindig­ keit und somit der Temperatur des vom Kühler zum Motor zurück­ geleiteten Kühlmittels verursacht und folglich dazu neigt, die Anwärmgeschwindigkeit zu verändern, wenn sich das Thermo­ statventil während der Warmlaufphase des Betriebs öffnet. Es ist bekannt, daß die Warmlaufzeit im Betrieb von Verbrennungs­ motoren eine Periode niedrigen betrieblichen Wirkungsgrades ist und den Motor mechanisch sehr beansprucht. Das mit dem Kühlverfahren der Erfindung ermöglichte rasche und weiche Warmlaufen des Motors verbessert den Motorwirkungsgrad, ins­ besondere bei kalter Witterung, und führt zu geringerer Ab­ nutzung.

Nach einem Kaltstart erwärmt sich das Kühlmittel im Kopf- Kühlmantel 26 sehr rasch, z. B. innerhalb etwa einer oder zwei Minuten, je nach äußeren Bedingungen. Wenn Wärme vom Motor in die Kühlanlage abgeführt wird, kann die Temperatur des Kühlmittels weiter ansteigen, bis sein Siedepunkt erreicht ist. Auf diesem Niveau stabilisiert sich die Motortemperatur, da die Kühlmitteltemperatur nicht weitersteigen kann. Zusätz­ liche Motorwärme, die in die Kühlanlage abgeführt wird, be­ wirkt, daß flüssiges Kühlmittel verdampft. Der Dampf wird durch Mitnahme aus dem Bereich, in dem er entstanden ist, weggeleitet, wodurch sein früherer Platz von flüssigem Kühl­ mittel eingenommen werden kann. Die im Kühlmitteldampf ent­ haltene Wärme wird durch die frei liegenden Wände 36 und 38 der Kondensatorkammer abgeführt, wenn der Dampf zu einer Flüs­ sigkeit zurückkondensiert wird.

Mit den bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten hochmolekularen Kühlmitteln von hoher Sättigungstemperatur und niedriger Oberflächenspannung werden mehrere Nutzen er­ zielt, die eine wirkungsvolle Kühlung des Zylinderkopfes sicherstellen. Zum einen gewährleistet die niedrige Ober­ flächenspannung des Kühlmittels, daß sich nur kleine Dampf­ blasen bilden, und erleichtert das Sichablösen der kleinen Dampfblasen von den Innenwänden des Kühlmantels 26. Je nie­ driger die Oberflächenspannung des Kühlmittels, umso besser. Mit einem Kühlmittel von hoher Sättigungstemperatur, das bei 15°C (59°F) eine niedrigere Oberflächenspannung als Wasser hat, und in der Erkenntnis, daß die Oberflächenspannung mit steigender Temperatur abnimmt, und daß die Sättigungstempera­ tur des bevorzugten Kühlmittels wesentlich höher sein wird als die von Wasser, ist sichergestellt, daß die Oberflächen­ spannung des Kühlmittels beträchtlich unter der von Wasser bei der Sättigungstemperatur liegt. Aufgrund der bedeutend geringeren Oberflächenspannung wird ein größerer Teil der Me­ tallfläche von Kühlmittel in der flüssigen Phase benetzt, und der Wärmeübergang von den Wänden auf das Kühlmittel ist wirkungsvoller.

Ein zweiter Vorteil dieser Kühlmittel ist der geringe Tempe­ raturunterschied zwischen der Sättigungstemperatur des Kühl­ mittels und der Temperatur des Metalls vom Zylinderkopf, der zu stärkerem Blasensieden und geringerem Filmsieden des Kühl­ mittels führt. Die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs bei Blasensieden ist beträchtlich größer als bei Filmsieden. Folg­ lich ist mit dem hochmolekularen Kühlmittel von hohem Siede­ punkt und niedriger Oberflächenspannung die Geschwindigkeit der Wärmeabführung durch Verdampfen des Kühlmittels höher als mit Wasser.

Versuche mit der in Fig. 1 dargestellten Anlage zum Kühlen des Zylinderkopfes mit Ethylenglykol oder Propylenglykol und einer herkömmlichen Flüssigkeits-Kühlanlage mit Pumpenförde­ rung eines herkömmlichen flüssigen Wasser-Gefrierschutzmittel- Kühlmittels in demselben Motor haben gezeigt, daß die Tempe­ raturen von Außenflächen in der Nähe kritischer Wärmebereiche des Zylinderkopfes bei Verwendung der erstgenannten Anlage etwa 17°C (30°F) niedriger sind als bei Verwendung der her­ kömmlichen Anlage. Es ist möglich, daß bei der praktischen Ausführung der Erfindung und der herkömmlichen Anlage zwi­ schen den Temperaturen an den Zylinderkopfinnenflächen ein viel größerer Unterschied besteht. Es wird angenommen, daß die geringere Temperatur das Ergebnis eines beträchtlich wir­ kungsvolleren Wärmetauschs zwischen dem Metall des Zylinder­ kopfes und dem Kühlmittel gemäß der Erfindung ist.

Möglicherweise findet im Kopf-Kühlmantel von auf herkömmliche Weise mit Flüssigkeit gekühlten Motoren an einigen Berührungs­ flächen zwischen dem Metall und dem flüssigen Kühlmittel in beträchtlichem Umfang Sieden statt. An einigen dieser Stellen wird der so entstandene Dampf eingeschlossen, und infolge des Vorhandenseins einer Dampfsperre zwischen dem Metall und der Flüssigkeit wird dadurch die Wärmeübergangsrate vom Me­ tall auf die Flüssigkeit sehr ineffizient. Daher sind die durchschnittlichen Temperaturbedingungen im gesamten Zylin­ derkopf etwas höher als bei der Erfindung. Ein solches Sieden im Zylinderkopf geht bei einem auf herkömmliche Weise flüssig­ keitsgekühlten Motor insbesondere in den Bereichen um die Auslaßkanäle und in der Nähe der Auslaßventilsitzbereiche vor sich. Mit den erfindungsgemäß verwendeten Kühlmitteln löst sich der Dampf leichter von den Wänden und wird zur Verbesserung des Wärmeübergangs rascher durch Flüssigkeit ersetzt.

Ein dritter Vorteil eines hochmolekularen Kühlmittels von hoher Sättigungstemperatur bei dem Verfahren gemäß der Erfin­ dung besteht darin, daß die bei einem gegebenen Niveau der Wärmeabführung abgegebenen Mole Dampf beträchtlich weniger sein können als die bei einem Motor mit Siedewasserkühlung bei derselben Wärmeabfuhr beteiligten Mole Wasserdampf. Eine Minderung der erzeugten Dampfmenge ist von Vorteil, weil sie eine Herabsetzung des Verhältnisses zwischen in der gesamten Anlage, also im Kühlmantel, den Leitungen und dem Kondensator vorhandenem Dampf und Flüssigkeit bedeutet. Viele organische Flüssigkeiten haben molare Verdampfungswärmen, welche die von Wasser übersteigen. Beispielsweise hat Propylenglykol eine um etwa 20 Prozent größere molare Verdampfungswärme als Wasser. Beim Abführen derselben Wärmemenge erzeugt somit Pro­ pylenglykol nur etwa 80 Prozent so viel Mol Dampf wie Wasser.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Kühlmittel haben Sätti­ gungstemperaturen, welche die über den meisten Innenflächen des Block-Kühlmantels 20 herrschenden Temperaturen überstei­ gen. Dies bedeutet, daß im Block-Kühlmantel wenig oder kein Dampf entsteht, doch entstandener Dampf rasch wieder konden­ siert und das vom Block- zum Kopf-Kühlmantel geleitete Kühl­ mittel nahezu dampffrei und daher in dem für einen wirkungs­ vollen Wärmeübergang bei weitem bevorzugten Zustand ist. Mit wenigen Worten, der Kopf-Kühlmantel braucht weder als Leitung zum Wegleiten von Kühlmitteldampf vom Zylinderblock noch als provisorischer Behälter für im Kopf-Kühlmantel selbst entstan­ denen Dampf zu dienen, und daher wird angenommen, daß der Dampfstand im Zylinderkopf beträchtlich niedriger ist als bei einer mit einem wasserhaltigen Kühlmittel betriebenen Siedeflüssigkeits-Kühlanlage.

Im Kopf-Kühlmantel 26 entstandener Kühlmitteldampf geht nach oben zum oberen Abschnitt des Kühlmantels, tritt durch eine oder mehrere der Dampfabführleitungen 32 aus, wird in den Kondensator 38 abgegeben und steigt in ihm durch Mitnahme und Bewegungsenergie auf zur wärmeleitfähigen oberen Wand 36. Bei verhältnismäßig geringer Dampfentwicklung vom Kühlmantel 26 scheint nur ein kleiner Teil der Gesamtfläche des Kondensa­ tors von Dampf berührt zu werden. Fahrzeuge, die mit einer Kühlanlage ausgestattet sind, bei welcher der Kondensator die gesamte Fahrzeughaube ist, zeigen eine bedeutende Erwär­ mung der Haubenfläche nur in dem Ausmaß von etwa einem Vier­ tel bis zur Hälfte der Gesamtfläche. Aus diesen Beobachtungen wird geschlossen, daß eine Kondensatorkammer, bei der die ge­ samten Flächen der Haubenplatte 36 und der Bodenwanne 38 als Kühlflächen für den Dampf zur Verfügung stehen, in der Lage ist, so viel Dampf zu kondensieren, wie der Motor unter allen Temperaturbedingungen und Betriebslasten erzeugen kann, mit der möglichen Ausnahme von extremen Umständen, unter denen der Motor bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten über längere Zeit bei Vollast unter heller, direkter Sonnenbestrahlung arbeitet; dabei kann die Erwärmung der Haubenoberfläche durch Sonnenwärme die Kondensationsfähigkeit der Fahrzeughaube be­ trächtlich herabsetzen. Selbst für diese extreme Bedingung sollte dadurch Vorsorge getroffen werden, daß auf die Haube eine helle, reflektierende, in einer Richtung zurückstrahlen­ de Sonnenschutz-Beschichtung aufgetragen wird, oder durch Vermeidung der Verwendung von wärmeabsorbierenden dunklen Farben für die Haube eines unter harten Bedingungen eingesetz­ ten Fahrzeuges.

Nachdem der Kühlmitteldampf mit den Wänden des Kondensators in Berührung gekommen ist, kondensiert er. Die Wanne 38 soll­ te nach Konfiguration und Ausrichtung so ausgelegt sein, daß sie eine angemessen rasche Strömung des kondensierten Kühl­ mittels zum Kollektorabschnitt 40 und eine Rückleitung des Kühlmittels durch die Rückleitung 42 zum Kühlmantel unter Ausnutzung der Schwerkraftwirkung begünstigt. Ein rasches Zurückleiten des Kühlmittels zum Motor ist bei niedrigen Außentemperaturen besonders erwünscht, um eine wesentliche Abkühlung des Kühlmittels vor Erreichen des Motorkühlmantels zu vermeiden. Andernfalls besteht bei einem Teil des das Kon­ densat erhaltenden Kühlmantels eine Neigung zu übermäßiger Abkühlung, wodurch der Temperaturgradient in den Zylinder­ wänden vergrößert und die Vorteile der Erfindung etwas ge­ schwächt werden, die sich aus gleichmäßigeren Temperaturen über die volle Höhe der Zylinderwände ergeben.

Eine Kühlanlage, die ausgebildet ist für den Betrieb entspre­ chend dem Verfahren der Erfindung durch Verwendung eines hoch­ molekularen, nichtwäßrigen Kühlmittels mit Hochtemperatur- Siedepunkt, kann so ausgelegt sein, daß sie entweder mit ins Freie entlüfteter Kondensatorkammer oder bei vollständig ge­ schlossener Anlage arbeitet. Bei einer geschlossenen Anlage ist der Druckunterschied zwischen Innen- und Außenseite des Kondensators eine Funktion der bei einem gegebenen Umgebungs­ druck durchschnittlichen Temperatur des eingeschlossenen Vo­ lumens. Die durchschnittliche Temperatur des eingeschlossenen Volumens hängt ab von der Menge und der Temperatur des ein­ strömenden Dampfes, der Wirksamkeit der Wärmeübertragung durch den Kondensator und vom eingeschlossenen Gesamtvolumen des Kondensators. Über- und Unterdruck-Sicherheitsventile werden in eine geschlossene Anlage eingebaut, um Höhenände­ rungen auszugleichen oder die Anlage für den Fall zu schützen, daß flüchtige Verunreinigungen, wie z. B. Wasser, im Kühlmit­ tel enthalten sind oder in es eindringen.

Wenn die Anlage mit ins Freie entlüftetem Kondensator betrie­ ben wird, sollte die Entlüftungsöffnung an einer vom Dampf­ einlaß oder den Dampfeinlässen fernen und in einem oberen Abschnitt der Kondensatorkammer gelegenen kühlen Stelle an­ geordnet sein. Da die für die Verwendung bei dem Verfahren gemäß der Erfindung bevorzugten Kühlmittel solche von großem Molekulargewicht (größer als 60) sind, und der Dampf gegen­ über Luft (mw = 28) und Wasserdampf (mw = 18) schwer ist, werden die hauptsächlichen Verunreinigungen (Luft und Wasser­ dampf) von dem schwereren Kühlmitteldampf verdrängt und durch die Entlüftungsöffnung hinausgeschoben.

Motoren, ausgestattet mit der in Fig. 1 dargestellten und mit hochmolekularen Kühlmitteln von hohem Siedepunkt betriebenen Anlage, zeigten in geringerem Maße überhitzte Stellen, Deto­ nation und Frühzündung sowie eine beträchtliche Herabsetzung des Temperaturgradienten von oben nach unten im Motor, einen sparsameren spezifischen Kraftstoffverbrauch und geringere Emissionen. Wegen der höheren, gleichmäßiger verteilten Boh­ rungstemperatur ist die Motorschmierung wirkungsvoller, Ab­ nutzung somit herabgesetzt und der Kraftstoffverbrauch spar­ samer. Wegen der höheren Bohrungstemperaturen im Block sind Wasserverunreinigung, Schlamm- und Säurenbildung im Schmieröl geringer. Die Motoren waren frei von hörbarem Klopfen.

Zur Erzielung von Steifigkeit kann die Kondensatorkammer selbst auf verschiedene Weise ausgebildet sein. Die Wanne wird Versteifungsrippen aufweisen, sicherlich mit zahllosen Öffnungen, die eine ungehinderte Bewegung von Dampf und Flüs­ sigkeit in der ganzen Kammer ermöglichen. Die Wanne kann auf beliebige zweckdienliche Weise mit der äußeren Karosserie­ platte, welche die Kühlfläche bildet, verbunden sein. Heutige Klebstoffe sind in idealer Weise zum Verbinden und Abdichten der Wanne mit und gegen die Karosseriefläche mit gewalzten und umgebogenen Rändern geeignet.

Für Fahrzeuge ausgelegte Anlagen müssen Dampf- und Kondensat­ leitungssysteme und einen Kondensator aufweisen, die in allen normalen Betriebslagen des Fahrzeuges dafür sorgen, daß Dampf von der höchsten Stelle im Kopf-Kühlmantel abgeführt und das Kondensat von der tiefsten Stelle im Kondensator zurückgelei­ tet wird. In einigen Fällen kann dies zwei oder mehr Dampf­ abführleitungen 32 zum Kondensator und zwei oder mehr Rück­ leitungen vom Kondensator zurück zum Motor erfordern, so daß die Anlage im Umlaufsystem Strömungswege enthält, die beim Befahren sowohl von Steigungs- als auch Gefällestrecken für eine gute Dampf- und Kondensatströmung sorgen. In anderen Fällen mag es genügen, für das Wegleiten von Dampf vom Motor zur Kondensatorkammer und das Rückleiten von Kondensat vom Kondensator zum Motor dieselbe(n) Leitung(en) zu benutzen. Beispielsweise kann eine einzige Leitung, die Dampf vom obe­ ren Abschnitt des Kopf-Kühlmantels zum Kollektor im vorderen unteren Abschnitt eines in eine geneigte Kraftfahrzeughaube eingebauten Kondensators leitet, auch Kondensat in der ent­ gegengesetzten Richtung leiten.

Die Geometrie der Anlage sollte auch so sein, daß der Füll­ stand im Kopf-Kühlmantel, der unabhängig von der Lage des Fahrzeuges im wesentlichen der Waagerechten entspricht, nie­ mals unter den oberen Abschnitt des Kühlmantels 26 absinkt, oder daß zumindest ein Flüssigkeitsfüllstand im gesamten Kopf-Kühlmantel beibehalten wird, der die Auslaßöffnungen bedeckt und den größten Teil des Kopf-Kühlmantels ausfüllt. Es ist offensichtlich, daß ein Freilegen der Auslaßöffnungen zu einem sehr unerwünschten Temperaturanstieg in der oder den betreffenden Auslaßöffnungen führen würde.

Es ist bekannt, daß die Wärmeabführung in das Kühlmittel ei­ nes Verbrennungsmotors hauptsächlich im Zylinderkopf ge­ schieht. Folglich ist gemäß Fig. 2 die Erfindung auf einen Motor anwendbar, bei dem der Motorblock 12′ durch Wärmeabfüh­ rung durch die Metallwände der Zylinder an die Außenluft ge­ kühlt wird und um die Zylinder keine Kühlmäntel vorgesehen sind. Die Zylinder können keramische Zylinderbüchsen aufwei­ sen, und der Block kann so ausgelegt sein, daß er Wärme in den Zylinderwänden zurückhält, wobei durch möglichst geringe Wärmeabführung vom Hubvolumen der thermodynamische Wirkungs­ grad des Motorprozesses verbessert wird. Bei einem solchen Motor ist mit dem Kühlmittel von hoher Siedetemperatur nur der Kopf-Kühlmantel 26 gefüllt, und der Zylinderkopf 22 ist gegen den Block durch eine kräftige Zylinderkopfdichtung 44 abgedichtet. Vom oberen Abschnitt oder von oberen Abschnitten des Kopf-Kühlmantels 26 führen eine oder mehr Dampfabführ­ leitungen 32 zur Kondensatorkammer 34, von der eine oder mehr Kondensatrückleitungen 42 zum Kühlmantel 26 zurück führen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann die den Kopf-Kühl­ mantel 26 mit der Kondensatorkammer 34 verbindende Leitung 32 die Doppelfunktion der Leitung von Dampf vom Zylinderkopf zur Kondensatorkammer und der Rückleitung des Kondensats von der Kammer zum Kühlmantel erfüllen. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung sollte(n) die zum Leiten von Dampf vom Kopf Kühlmantel zur Kondensatorkammer benutzte(n) Leitung(en) von relativ großem Durchmesser sein, um eine möglichst unbehin­ derte Entwicklung der dampfförmigen Phase des Kühlmittels vom Motor zur Kondensatorkammer sicherzustellen. Für Kraft­ fahrzeugmotoren von kleinem Hubraum sind zur Dampfleitung Schläuche oder Rohre von etwa 25 bis 50 mm Durchmesser üblich. Es leuchtet ein, daß bei An­ lagen für größere Motoren stärkere Leitungen von Vorteil sind. Üblicherweise haben Kondensatrückleitungen etwa 13 bis 19 mm.

Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Anlage ist im wesentlichen gleich mit der der Anlage gemäß Fig. 1, insofern als alles in den Kopf eintretende Zusatzkühlmittel in flüssi­ gem Zustand ist. Jedoch wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kondensiertes Kühlmittel von der Kondensatorkammer zum Kopf-Kühlmantel 26 direkt zurückgeleitet, statt über den Block. Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 2 werden die glei­ chen Vorteile wie mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 er­ zielt, nämlich weniger Dampf im Kopf und, daraus folgend, bessere Wärmeübergangsbedingungen im Kopf-Kühlmantel.

Bei einigen Motorenkonstruktionen und mit einigen Kühlmitteln kann es vorkommen, daß das Kühlmittel im Block-Kühlmantel die Sättigungstemperatur erreicht. Statt den Kühlmitteldampf vom Block zum Kopf-Kühlmantel strömen zu lassen, kann der Dampf vom Block-Kühlmantel getrennt weggeführt und zum Kondensator geleitet werden. Eine Ausführungsform einer solchen Anlage ist in Fig. 3 dargestellt. Dampf vom Block-Kühlmantel 20 strömt durch eine oder mehr Zweigleitungen 46, die an den oder die oberen Abschnitte des Block-Kühlmantels angeschlos­ sen und mit der Hauptdampfabführleitung 32 verbunden sind. Der Kopf-Kühlmantel 26 ist mit der Leitung 32 durch eine (oder mehr) zweite Zweigleitung 48 verbunden. Folglich wird Dampf vom Block-Kühlmantel 20 und Kopf-Kühlmantel 26 getrennt zur Kondensatorkammer 34 geleitet. Das im Kondensator 34 konden­ sierte Kondensat wird vom Kollektorabschnitt 40 durch die Kondensatorenleitung 42 zurückgeleitet, die an eine an den Kopf- Kühlmantel 26 angeschlossene Zweigleitung 50 und an eine mit dem Block-Kühlmantel 20 verbundene Zweigleitung 52 abgibt. Bei dem in der Anlage gemäß Fig. 3 durchgeführten Verfahren ist das dem Kopf-Kühlmantel 26 über die Zweigleitung 50 zuge­ führte Kondensat frei von Dampf; folglich wird die Dampfmenge im Kopf-Kühlmantel stets so klein wie möglich gehalten, ins­ besondere durch Nichtzuleiten von Dampf mitführendem Kühlmit­ tel zum Kopf-Kühlmantel. Die in Fig. 3 dargestellte Anlage vermag mit einem Kühlmittel zu arbeiten, das eine relativ niedrige Sättigungstemperatur hat.

Die in Fig. 4 dargestellte Anlage ermöglicht die Verwendung verschiedener Kühlmittel im Block- und Kopf-Kühlmantel. An den oberen Abschnitt des Block-Kühlmantels 20 sind ein oder mehr Dampfabführleitungen 54 angeschlossen und sorgen dafür, daß Kühlmitteldampf vom Block-Kühlmantel 20 in einen ersten Kondensator 56 geleitet wird. Kondensiertes Kühlmittel wird zum Block über eine Leitung 58 bzw. Leitungen 58 zurückgelei­ tet. Im Zylinderkopf-Kühlmantel 26 erzeugter Kühlmitteldampf wird über eine Abführleitung 62 bzw. Abführleitungen 62 in einen zweiten Kondensator 60 geleitet, und das Kondensat in der Kammer 60 wird über eine Leitung 64 bzw. Leitungen 64 zum Kopf-Kühlmantel 26 zurückgeleitet. Die in Fig. 4 dargestellte Anlage ist zur Verwendung in einem Motor bestimmt, der so ausgelegt ist, daß Motorblock und Zylinderkopf verschiedene Betriebstemperaturen haben. Es kann beispielsweise zur Verbes­ serung des thermodynamischen Wirkungsgrades wünschenswert sein, daß der Block mit einer höheren Temperatur arbeitet als der Zylinderkopf, der zur Verhinderung von Detonation, Früh­ zündung oder anderer unerwünschter Auswirkungen einer über­ mäßig hohen Temperatur im Zylinderkopf des Motors auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird. Die höhere Temperatur im Block gewährleistet wegen der geringeren Wärmeabführung sowohl eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffs als auch einen höheren Wirkungsgrad des Wärmeprozesses des Motors. Die Zylinderwände können mit keramischen oder anderen hitze­ beständigen Beschichtungen versehen sein, und der Block kann isolierte Außenwände aufweisen. Da diese Anlage höchstwahr­ scheinlich dort eingesetzt wird, wo der Zylinderkopf und der Motorblock auf zwei verschiedenen Temperaturen zu halten sind, werden getrennte Kühlmittel je mit der gewünschten Sättigungs­ temperatur gewählt.

Die beiden Kondensatorkammern werden natürlich so ausgelegt sein, daß die notwendige Kondensationsleistung für die zuge­ hörigen Kühlmittelkreise zur Verfügung steht, nämlich für den Kühlmittelkreis des Zylinderkopfes und den Kühlmittelkreis des Motorblocks. Wie bei den vorstehend beschriebenen Aus­ führungsformen sorgt die Ausführungsform gemäß Fig. 4 dafür, daß dem Kopf-Kühlmantel 26 Kühlmittel in flüssigem Zustand zugeführt wird, wodurch das Dampf-Flüssigkeits-Verhältnis im Kopf-Kühlmantel so klein wie möglich gehalten wird und eine wirkungsvolle Kühlung unter allen Umgebungs- und Betriebs­ bedingungen sichergestellt ist.

Zusätzlich zur Benutzung des Verfahrens gemäß der Erfindung in Kolben-Verbrennungsmotoren ist die Erfindung auch auf an­ dere Verbrennungsmotoren anwendbar. Beispielsweise zeigt Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wankel-Motors mit einem Gehäuse 60′, das drei getrennte Kühlmäntel 62′, 64′ und 66′ auf­ weist. Das brennbare Gemisch für den Betrieb des Motors wird über eine Einlaßöffnung 68 angesaugt und in der Innenkammer 70 verdichtet, wenn das Volumen in dem (entsprechend Fig. 5) rechten Teil der Kammer von einer der Flächen des Rotors 72 durchlaufen wird. Der Bereich in der Nähe der Zündkerze oder einer ähnlichen Zündvorrichtung 74 bildet den Kopfabschnitt des Wankel-Motors, in dem das dem Motor zugeführte brennbare Fluid entzündet und verbrannt wird. Ein zweites Hubvolumen der Kammer, im wesentlichen vom Kühlmantel 66′ nach innen ge­ legen, ist die Expansionskammer, in welcher der Arbeitshub des Motors stattfindet. Die auszustoßenden Verbrennungsproduk­ te werden bei Beendigung des Arbeitshubes jeder Fläche des Rotors über eine Auslaßöffnung 75 ausgeschoben.

In jedem der Kühlmäntel 62′, 64′ und 66′ ist die höchstgelegene Stelle durch eine zugehörige Dampfabführleitung 76, 78 bzw. 80 mit einer Kondensatorkammer 82 verbunden, die an zweck­ dienlicher Stelle oberhalb des Motors angeordnet ist. In je­ dem der Kühlmäntel entstandener Dampf wird durch die zugehö­ rige(n) Abführleitung(en) geleitet, in die Kondensatorkammer abgegeben, steigt durch Mitnahme und Bewegungsenergie nach oben zur Berührung mit der wärmeleitfähigen oberen Wand 84 der Kammer und kondensiert durch Wärmetausch mit der Wand 84. Das Kondensat fällt auf die. Wanne 86 der Kondensatorkammer, fließt zum Kollektorabschnitt 88 und wird über eine gemein­ same Rückleitung 90 und Zweigrückleitungen 92, 94 und 96 zu jedem der zugehörigen Kühlmäntel 62′, 64′ und 66′ zurückge­ leitet.

In den allgemeinen Beschreibungen der Erfindung wurde stets auf den Block-Kühlmantel und den Kopf-Kühlmantel des Motors Bezug genommen. Insofern als die Konfiguration eines Wankel- Motors von der eines Kolbenmotors verschieden ist, wird vor­ stehend auf die Hubvolumen der Kammer 70 Bezug genommen. In bezug auf die Hubvolumen im großen und ganzen außen gelegene Abschnitte des Gehäuses 60 des Wankel-Motors sind funktions­ mäßige Äquivalente des Zylinderblocks eines Kolbenmotors. Alle Bezugnahmen hierin auf den Block-Kühlmantel sollen auf die Kühlmäntel 62′ und 66′ anwendbar sein, die den Hubvolumen des Wankel-Motors zugeordnet sind. In ähnlicher Weise soll der Kühlmantel 64′, welcher der Verbrennungszone der Kammer 70 benachbart ist, als der Kopf-Kühlmantel des Wankel-Motors ver­ standen werden. Folglich wird das Verfahren gemäß der Erfin­ dung bei dem in Fig. 5 dargestellten Wankel-Motor aufgrund des Sachverhalts durchgeführt, daß flüssiges Kühlmittel vom Kondensator 82 im flüssigen Zustand dem der Verbrennungszone benachbarten Kopf-Kühlmantel 64′ zugeführt wird, wodurch in diesem ein günstiges Dampfphase-Flüssigphase-Verhältnis für das Kühlmittel im Kopf-Kühlmantel 64′ hergestellt wird.

Eine einem Fachmann im Lichte des Vorstehenden ohne weiteres zugängliche Abwandlung der in Fig. 5 dargestellten Ausfüh­ rungsform sieht analog der Ausführungsform gemäß Fig. 4 für jeden Kühlmantel getrennte Kondensatorkammern vor. Bei einer solchen Abwandlung kann jeder Kühlmantel des Motors mit einem verschiedenen Kühlmittel beschickt werden, wodurch eine Opti­ mierung der Temperaturen in den verschiedenen Motorbereichen im Hinblick auf höchstmöglichen thermodynamischen Wirkungs­ grad und zur Erreichung anderer wünschenswerter mechanischer Eigenschaften, wie z. B. geringere Wärmespannungen im Gehäuse, gute Schmierung, wirkungsvollere Wärmeübergangsgeschwindig­ keiten und andere Zielsetzungen, ermöglicht wird.

Bei einem Wankel-Motor ist die Auslaßöffnung an einer der Verbrennungszone fernen Motorstelle angeordnet, anders als bei Otto- und Diesel-Kolbenmotoren, bei denen der Verbrennungs­ raum und die Auslaßöffnung beide im Zylinderkopf angeordnet sind. Beim Wankel-Motor ist eine wirkungsvolle Kühlung des Gehäusebereiches um die Auslaßöffnung dadurch sichergestellt, daß flüssiges Kühlmittel sowohl dem Kühlmantel 66′ als auch dem Kühlmantel 62 zugeführt wird, von denen jeder mit einem Kühlmantelabschnitt 98 verbunden sein kann, der zwischen der Einlaßöffnung 68 und der Auslaßöffnung 75 angeordnet ist. Folglich enthält der die Auslaßöffnung umgebende Bereich we­ nig Dampf, wodurch eine wirkungsvolle Kühlung der Auslaßöff­ nung erreicht wird.

Fig. 6 veranschaulicht die Benutzung der Erfindung bei einem Kraftfahrzeug mit einem querangeordneten Motor 102 in einem mit einer Haube 104 abgedeckten Motorraum. Die Haube 104 und eine Wanne 110 begrenzen eine Kondensatorkammer 106, die durch eine Leitung 108 vom oberen Abschnitt des Kopf-Kühl­ mantels weggeleiteten Dampf erhält. Der Dampf kondensiert in der Kammer, und das Kondensat fließt über dieselbe Leitung 108 zum Kopf-Kühlmantel zurück. Die Leitung 108 ist ein flexi­ bler Schlauch, in zweckdienlicher Weise verlegt, um zum Öff­ nen des Motorraums die Haube hochstellen zu können. Die Front­ partie 114 des Fahrzeuges kann vollständig oder weitgehend geschlossen sein, wodurch der Luftwiderstand verringert wird. Zum Kühlen des Motorraumes und der Ölwanne kann ein kleiner Lufteinlaß vorgesehen sein.

Bei einer Anlage für ein Luftfahrzeug, das von einem oder mehreren Kolben- oder Wankel-Motoren angetrieben wird, kann die Kondensatorkammer im Rumpfdach oder im oberen Teil des Flügels eines Flugzeuges oder im oberen Zellenteil eines Hub­ schraubers angeordnet sein. Fig. 7 zeigt ein Flugzeug 120 mit Motoren 122, die in Motorgondeln 124 unter den Flügeln 126 angeordnet sind. Die Kondensatorkammern 128 sind in die oberen Flügelflächen etwa über dem Motor so eingebaut, daß, wenn sich das Flugzeug am Boden befindet, der Propellerluft­ strom eine die äußere Kühlplatte überstreichende Kühlluft- Strömung erzeugt. Kühlanlagen gemäß der Erfindung für Luft­ fahrzeuge werden im allgemeinen mit kleinen Pumpen ausgestat­ tet sein, die aus den Kondensatkollektoren an den vier Ecken der Kondensatorkammern Kondensat zum Motor zurückfördern, insofern als die Anlage beträchtliche Stampf- und Rollbewe­ gungen ausgleichen muß. Aus der Anordnung der Kondensatoren in der Flügeloberfläche ergibt sich als Nebenfunktion die Enteisung.

In der allgemeinen Beschreibung der Erfindung wurde häufig auf "die Sättigungstemperatur" und den "Siedepunkt" Bezug genommen. Diese Bezeichnungen sind korrekt angewandt, wenn sie auf Eigenschaften reiner Kühlstoffe oder azeotroper Ge­ mische bezogen sind, weil bei nichtazeotropen Gemischen das Sieden über einem Temperaturbereich stattfindet, der die nie­ drigste Temperatur, den Blasenpunkt, und die höchste Tempe­ ratur, den Taupunkt, einschließt. In der Praxis können Flüs­ sigkeiten, die für Kühlmittel gemäß der Erfindung verwendet werden, nicht völlig reine Stoffe oder azeotrope Gemische sein, insofern als sie Zusätze, wie z. B. Stabilisatoren, In­ hibitoren und Färbemittel, und Verunreinigungen, wie z. B. Wasser, oder andere ungewollte Bestandteile enthalten können. Ferner kann ein zur Verwendung mit dieser Anlage angesetztes Kühlmittel aus einem Stoffgemisch bestehen, das bewirkt, daß die Flüssigkeit einen Siedebereich und folglich einen Sätti­ gungstemperaturbereich hat.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verdampfungskühlung von Verbren­ nungsmotoren durch ein Kühlmittel mit den Schritten:

• - Leiten des Kühlmitteldampfes vom im wesentlichen höchstgelegenen Bereich des Motorkühlmantels zu einem Kondensator,
• - Kondensieren des Kühlmitteldampfes im Kondensator, und
• - Zurückleiten des erhaltenen Kühlmittelkondensats zum Motorkühlmantel,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmit­ tel dem Zylinderkopfkühlmantel unter allen Betriebs­ bedingungen des Verbrennungsmotors in einem zumindest annähernd dampffreien flüssigen Zustand zugeführt wird, so daß der Zylinderkopfkühlmantel stets zum größten Teil mit flüssigem Kühlmittel gefüllt ist, wobei das Kühlmittel eine nichtwäßrige siedefähige organische Flüssigkeit ist, die einen Siedepunkt bei Atmosphärendruck von zumindest etwa 132°C, eine molare Verdampfungswärme bei Atmosphä­ rendruck von zumindest etwa 41 kJ/mol und eine Oberflä­ chenspannung bei 15°C von weniger als 70 mN/m hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühl­ mittel zu einem größeren Teil einen Stoff aus der Gruppe Ethylenglykol, Propylenglykol, Tetrahydrofurfurylalkohol, Dipropylenglykol und 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-mono­ isobutyrat enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dif­ ferenzdruck zwischen einem zum Kondensator führenden Kühlmitteldampfauslaß des Zylinderkopfkühlmantels und einem Flüssigkeitsauslaß des Kondensators auf einem Wert nicht größer als etwa 7 kPa gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor miteinander in Verbindung stehende Zylinderkopf- und Zylinderblockkühlmäntel aufweist, wobei das Kühlmittel­ kondensat zum Zylinderblockkühlmantel zurückgeleitet wird und als Flüssigkeit dem Zylinderkopfkühlmantel vom Zylin­ derblockkühlmantel her zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmit­ telkondensat vom Kondensator her direkt zum Zylinderkopf­ kühlmantel des Motors zurückgeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen vom Zylinderkopfkühlmantel getrennten Zylinderblock­ kühlmantel hat, wobei Kühlmitteldampf aus dem Zylinderkopf­ kühlmantel zu einem ersten Kondensator geführt und das entstehende Kühlmittelkondensat zum Zylinderkopfkühlmantel zurückgeleitet wird, und wobei Kühlmitteldampf aus dem Zylinderblockkühlmantel zu einem zweiten Kondensator geführt und das entstehende Kühlmittelkondensat zum Zylinderblockkühlmantel zurückgeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor einen vom Zylinderkopfkühlmantel getrennten Zylinder­ blockkühlmantel hat und Kühlmitteldampf sowohl aus dem Zylinderkopf- als auch aus dem Zylinderblockkühlmantel zum Kondensator geleitet und entstehendes Kühlmittelkondensat von diesem sowohl zum Zylinderkopf als auch zum Zylinder­ blockkühlmantel zurückgeleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel dem Zylinderkopfkühlmantel unter Ausnutzung der Schwerkraftwirkung vom Kondensator her zugeleitet wird, wobei der Kondensator einen Kondensatkollektor und einen Kondensatauslaß aufweist, die höher als der obere Bereich des Zylinderkopfkühlmantels angeordnet sind, und daß eine Kühlmittelrückführleitung vom Kondensatauslaß zum Zylin­ derkopfkühlmantel stets bis zu einem über diesem liegenden Niveau mit Kühlmittel gefüllt ist.

9. Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Motor­ kühlmantel (20, 26), das einen Kondensator (34) und Leitungen (32 und 42) für Kühlmitteldampf vom höchstgelegenen Bereich des Motorkühlmantels zum Kondensator und für Kühlmittelkondensat vom Kondensator zum Motorkühlmantel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine nichtwäßrige hochmolekulare organische Flüssigkeit ist, die einen Siedepunkt bei Atmosphärendruck von zumindest etwa 132°C, eine molare Verdampfungswärme bei Atmosphärendruck von zumindest etwa 41 kJ/mol und eine Oberflächenspannung bei 15°C von weniger als etwa 70 mN/m hat, und die im Zylinderkopfkühl­ mantel (26) unter allen Betriebsbedingungen des Verbrennungs­ motors zum größten Teil in flüssigem Zustand bleibt.

10. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel im wesentlichen aus einem Stoff aus der Gruppe Ethylenglykol, Propylenglykol, Tetrahydrofurfurylalkohol, Dipropylenglykol und 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiol-mono-isobutyrat besteht.

11. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (12) und der Zylinderkopf (22) voneinander getrennte Kühlmäntel (20 bzw. 26) mit eigenen Leitungen (46 und 52 bzw. 48 und 50) für Kühlmitteldampf und Kühlmittelkondensat aufweisen.

12. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator (60) sowie getrennte Kühlmäntel (20 bzw. 26) für Zylinderblock (12) und Zylinderkopf (22) zur Bildung zweier voneinander getrennter Kühlmittelumlaufkreise für den Zylin­ derblock (12) und den Zylinderkopf (22) vorhanden sind.

13. Kühlsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß kein Zylinder­ blockkühlmantel (20) vorhanden ist und die Leitungen (32 und 42) für Kühlmitteldampf und Kühlmittelkondensat beide an den Zylinderkopfkühlmantel (26) angeschlossen sind.