DE3809136A1 - Einrichtung zur verdampfungskuehlung einer brennkraftmaschine und betreiben eines heizungswaermetauschers durch das kuehlmittel - Google Patents
Einrichtung zur verdampfungskuehlung einer brennkraftmaschine und betreiben eines heizungswaermetauschers durch das kuehlmittelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Gegenüber der üblichen Flüssigkeits- oder Konvektionskühlung bietet
das Prinzip der Verdampfungskühlung, das in Anwendung auf gattungsgemäße Einrich
tungen aus der Patentliteratur der Klasse FO1P 3/22 in verschiedenen Ausführungen
bekannt ist, den Vorteil eines erheblich größeren Wirkungsgrads, da der Wärme
transport durch die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme bestimmt ist.
Kraftfahrzeugheizungen nutzen in großem Umfang die Abwärme der Brennkraftmaschine,
und zwar auch die durch Kühlwasser transportierte, aus; das Kühlwasser durchsetzt
einen oder mehrere Wärmetauscher, dem bzw. denen durch einen mittels eines Venti
lators erzeugten Luftstrom Wärme entnommen wird. Auch für den Fall der Verdamp
fungskühlung sind Lösungen bekannt, die Wärme des Kühlmittels zum Betrieb von
Fahrzeugheizungen auszunutzen. So beschreiben die EP 01 89 881 und die DE-OS
36 03 897 nach dem Verdampfungsprinzip arbeitende Kühleinrichtungen, wobei an
die Kühlmittelräume und -kanäle der Brennkraftmaschine ein einen Heizungswärme
tauscher für den Fahrgastinnenraum sowie eine Pumpe enthaltender Heizkreislauf
angeschlossen ist. Der Anschluß dieses eigentlichen Heizkreislaufs erfolgt jedoch
in solcher Höhe bezüglich der Kühlkanäle oder Kühlräume, daß nur im flüssigen
Zustand befindliches Kühlmittel den Wärmetauscher durchströmt, also der eigentliche
Vorteil der Verfampfungskühlung, nämlich der vergrößerte Wärmetransport durch
zweifache Änderung des Aggregatzustands des Kühlmittels, nicht ausgenutzt wird.
Allerdings haben die beschriebenen bekannten Einrichtungen den Vorteil, daß
infolge Abgriffs des flüssigen Kühlmittels gleichsam in unmittelbarer Nähe der
Wärmeerzeugung, nämlich an den Brennräumen der Maschine, bereits sehr kurze
Zeit nach dem Starten der Maschine Heizwärme zur Verfügung gestellt wird.
Ein weiterer Vorteil dieser bekannten Einrichtungen ist darin zu sehen, daß
der Heizkreislauf nur von einer relativ kleinen Menge des Kühlmediums durchströmt
wird, so daß er die Erfindung der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur
nur in vertretbarem Maße verzögert. Der Hauptkondensator wird bei den beschriebenen
bekannten Einrichtungen wirksam, sobald die Verdampfung des Kühlmediums in den
in die Maschine eingelassenen Kühlmittelkanälen auftritt.
Die US-PS 43 67 699 beschreibt eine ebenfalls nach dem Verdampfungsprinzip arbei
tende Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der der Heizungswärmetau
scher so angeschlossen ist, nämlich an einen Trennbehälter für dampfförmiges
und flüssiges Kühlmittel, daß der Heizungswärmetauscher nur von dampfförmigem
Kühlmittel durchströmt ist; er liegt dauernd in Reihe mit dem Hauptkodensator
der Kühleinrichtung. Zusätzlich weist diese bekannte Einrichtung einen besonderen
"kleinen" Kühlmittelkreislauf mit einer Umwälzpumpe auf, der zur gleichmäßigen
Erwärmung der Brennkraftmaschine nach ihrem Start dient. Sobald die Kühlmittel
temperatur nahe der Siedetemperatur liegt, wird dieser Kreislauf durch Abschalten
der Pumpe unterbrochen, und die eigentliche Verdampfungskühlung beginnt. Hinsicht
lich des Betriebs des Heizungswärmetauschers besitzt diese bekannte Einrichtung
also den grundsätzlichen Nachteil, daß der Heizungswärmetauscher erst relativ
lange nach dem Starten der Maschine, nämlich nach Einsetzen der Verdampfungsküh
lung, von Kühlmittel durchströmt wird. Bekanntlich besteht aber bei Kraftfahrzeugen
ein grundlegendes Problem darin, die Windschutzscheibe und die Seitenscheiben
unmittelbar nach dem Starten der Maschine, nämlich bei Fahrtbeginn, durch Anströmen
mittels erhitzer Luft beschlagfrei zu machen und zu halten. Diesem grundsätzlichen
Erfordernis kann die amerikanische Einrichtung nicht gerecht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die einerseits die Vorteile des guten Wärme
transports infolge Zustandsänderungen des Kühlmittels auch für den Betrieb des
Heizungswärmetauschers (der im Wege von Luftausströmdüsen für Fahrzeugscheiben
liegen kann) ausnutzt, andererseits eine schnelle Aufheizung des Wärmetauschers
nach dem Starten der Maschine sicherstellt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merk
malen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung
beschreiben die Unteransprüche. Dabei lassen sich die Merkmale der Ansprüche
6 und 7, obwohl sie mit besonderem Vorteil im Rahmen der kombinierten Kühlung
und Heizung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche einsetzbar sind, grundsätzlich
auch dann anwenden, wenn auf eine Ausnutzung der Kühlmittelwärme zur Heizung
beispielsweise eines Fahrzeuginnenraums verzichtet wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist - außer in ihrem einfachen Aufbau -
darin zu sehen, daß infolge Abschaltung insbesondere des Hauptkondensators während
der Aufwärmephase der Brennkraftmaschine ein mit dem Heizkreislauf übereinstimmender
kleiner Kühlkreislauf für die Maschine geschaffen wird, so daß diese sich schnell
erwärmt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einschließlich mehrerer Ergänzungen bzw.
Alternativmerkmale wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Figuren
die Einrichtung während verschiedener Betriebsphasen der Brennkraftmaschine
zeigen.
Die Brennkraftmaschine 1, die im Bereich eines einen Hubkolbens 2 aufnehmenden
Zylinders 3 mit kühlmittelgefüllten Kanälen oder Räumen 4 geschnitten dargestellt
ist, besitzt den Kühlmitteleinlaß 5 und den Kühlmittelauslaß 6; beide stehen
verständlicherweise in Strömungsverbindung mit den Kühlkanälen 4.
Wesentliche Bestandteile des Kühlkreislaufs 7 der Maschine bilden - außer den
Kanälen 4 - der Hauptkondensator 8, das vom Kühlmitteldruck betätigte Ventil 9
und der Kühlmittelvorratsbehälter 10, der gegen die Atmosphäre durch ein Druck
begrenzungsventil 11 abgeschlossen ist und demgemäß zugleich einen Ausgleichs
behälter bildet. Dem Hauptkondensator 8 ist der elektrisch betriebene Lüfter 12
nachgeschaltet und die Jalousie 13 vorgeschaltet, die in noch zu beschreibender
Weise über eine Ansteuerschaltung 14 in Abhängigkeit von der Temperatur des
Kühlmittels (Temperatursensor 15) im Hauptkondensator 8 und vom Lastzustand
(Drosselklappenschalter 16) betätigt wird.
Der Heizkreislauf 17 erstreckt sich verständlicherweise ebenfalls über die in
die Maschine 1 eingelassenen Kanäle 4 und umfaßt als wesentliche Bestandteile
den auch als Nebenkondensator zu bezeichnenden Heizungswärmetauscher 18, dem
das Heizungsgebläse 19 zugeordnet ist, sowie die Kühlmittelpumpe 20, die einer
seits bei Anforderung von Heizungswärme durch den Fahrer des Fahrzeugs eingeschal
tet wird, so daß der Heizkreislauf 17 von erwärmtem Kühlmittel durchströmt wird,
und die andererseits unabhängig davon beim Erreichen einer vorgegebenen Kühlmittel
temperatur, erfaßt durch den Temperatursensor 21, eingeschaltet wird, damit
spätestens bei Temperaturen des Kühlmittels, die zur Verdampfung desselben führen,
der Heizkreislauf 17 als kleiner Kühlkreislauf wirksam wird.
Betrachtet man zunächst die Verhältnisse bei kalter Brennkraftmaschine 1, so
enthält der Vorratsbehälter 10 allenfalls wenig Kühlmittel, das im gesamten
System in flüssiger Form vorliegt. Dagegen ist die eigentliche Kühl- und Heizein
richtung mit flüssigem Kühlmittel gefüllt und entlüftet. Das vom Druck des Kühl
mittels betätigbare Ventil 9 befindet sich in Sperrstellung, so daß der Hauptkon
densator 8 vom Kühlkreislauf 7 und auch vom Heizkreislauf 17 abgetrennt ist.
Wird nach Starten der Maschine vom Fahrzeuginnenraum her Wärme angefordert,
so wird dadurch die Kühlmittelpumpe 20 eingeschaltet, so daß im Heizkreislauf 17
eine Kühlmittelströmung in Fig. 1 im Uhrzeigersinne zustandekommt, also zuneh
mend warmes Kühlmittel durch den Heizungswärmetauscher 18 transportiert wird.
Es kann zweckmäßig sein, das Einschalten der Kühlmittelpumpe 20 zusätzlich vom
Erreichen einer bestimmten Mindesttemperatur des Kühlmittels, die mittels des
Temperatursensors 21 erfaßt sein kann, abhängig zu machen. Im Sommer, wenn keine
Heizungswärme angefordert wird, wird über den Temperatursensor 21 und eine nicht
dargestellte Auswerteschaltung auf jeden Fall eine Einschaltung der Kühlmittel
pumpe 20 vorgenommen, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen
höheren Wert unterhalb der Siedetemperatur desselben erreicht hat. Damit ist
sichergestellt, daß unabhängig vom Heizungsbetrieb während des Warmlaufs der
Brennkraftmaschine 1 die Kühlmittelpumpe 20 angeworfen wird.
Verständlicherweise ist es möglich, eine geregelte oder gesteuerte Kühlmittel
pumpe 20 vorzusehen, d. h. eine solche, deren Fördermenge in Abhängigkeit von
Parametern der Brennkraftmaschine und/oder der verlangten Heizungswärme veränder
bar ist.
Wird nun in der Brennkraftmaschine 1 mit zunehmender Erwärmung derselben das
Kühlmittel zumindest örtlich über seinen Siedepunkt hinaus erhitzt, so entstehen
Dampfblasen, die teilweise im Kühlmittel an anderer Stelle wieder kondensieren
oder in den Wärmetauscher 18, der jetzt gleichsam als Nebenkondensator dient,
gelangen (Fig. 2). Durch die Dampfblasenbildung wird infolge des nach wie vor
geschlossenen Zustands des Druckventils 9 flüssiges Kühlmittel in den als Aus
gleichsbehälter dienenden Vorratsbehälter 10 verdrängt, und das im Wärmetauscher 18
kondensierende dampfförmige Kühlmittel gibt seineKondensationswärme an die Heizung
ab.
Mit zunehmender Verdampfung des Kühlmittels (Fig. 3) steigt der Druck im System
und damit am Ort des Ventils 9 an, so daß dieses schließlich durch Öffnen den
Hauptkondensator 8 in den Kühlkreislauf 7 einschaltet. Nunmehr gelangt verdampfte
Kühlflüssigkeit sowohl zum Heizungswärmetauscher 18 als auch vom Kühlmittelausgang 6
der Maschine 1 her in den Hauptkondensator 8, wo es kondensiert und sich in flüssi
ger Form im unteren Bereich desselben ansammelt.
An dieser Stelle sei eingefügt, daß das Ventil 9 statt vom Kühlmitteldruck auch
in Abhängigkeit vom Kühlmittelstand im Vorratsbehälter 10 oder im Wärmetauscher 18
oder aber in Abhängigkeit von der dort gemessenen Temperatur gesteuert werden
kann; sobald die Temperatur im Wärmetauscher 18 einen Schwellwert kurz unter
der Siedetemperatur des Kühlmittels erreicht hat, erfolgt der Anschluß des Haupt
kondensators 8.
Die Einrichtung wird so ausgelegt, daß bei ungünstigsten Bedingungen, d. h. maximale
Dampfmenge, hohe Außentemperatur und niedrige Geschwindigkeit der den Hauptkonden
sator durchströmenden Kühlluft, der Kühlmitteldampf fast den gesamten Hauptkonden
sator 8 füllt.
Es kann zweckmäßig sein, den Kühlmitteldruck in der Einrichtung im Hinblick auf
unterschiedliche Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine zu optimieren. Dabei
dient die entsprechende Druckveränderung über unterschiedliche Siedetemperaturen
des Kühlmittels der Einstellung unterschiedlicher Temperaturen der Brennkraftma
schine im Bereich der Brennräume. So ist bei Teillast für den Wirkungsgrad der
Maschine und günstige Abgasemissionen eine höhere Maschinentemperatur und damit
eine höhere Siedetemperatur des Kühlmittels vorteilhafter als bei Vollast; in
diesem Betriebsfall dient eine niedrigere Siedetemperatur (kühlere Brennraumwände)
einer Drehmomenterhöhung durch größere Füllung bei gleichzeitiger Verringerung
der Klopfneigung. Grundsätzlich kann man dies durch entsprechende Drehzahlsteuerung
des Lüfters 12 in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors 22 erfaßten
Ist-Temperatur des Kühlmittels und von einem Sollwert derselben, der beispielsweise
vom Lastzustand der Maschine abhängig und in einem Steuergerät 23 gespeichert
ist, erreichen. Im vorliegenden Falle ist gegebenenfalls zusätzlich zu dieser
Ansteuerung des Lüfters 12 die Jalousie 13 vorgesehen, die in Abhängigkeit von
den beschriebenen Größen zwischen ihrem zumindest weitgehend geschlossenen Zustand
(Fig. 1 und 2) und ihrem geöffnenten Zustand (Fig. 3) verstellt werden kann. In
der Regel wird man die Verstellung der Jalousie zum Zwecke der Beeinflussung
des Kühlmitteldrucks erst bei warme Maschine (Fig. 3) vornehmen, während in
den den Fig. 1 und 2 zugrunde liegenden Betriebsphasen der Maschinen die Jalousie
geschlossen ist.
Damit insbesondere das Luftpolster oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Vorrats
behälter 10 der so erzielten Druckänderung nicht entgegenwirkt, ist in dem figürlich
dargestellten Ausführungsbeispiel in der Anschlußleitung des Behälters das Ventil 24
vorgesehen, so daß sich mit zunehmender Wärmeentwicklung in der Brennkraftmaschine 1
in dem eigentlichen Kühlkreislauf 7 einschließlich Heizkreislauf 17 mit der zuneh
menden Verdampfung des Kühlmittels der erhöhte Druck aufbauen kann.
In vielen Fällen sind die Verbindungsleitungen als Schläuche ausgeführt, so daß
man daran interessiert ist, den Druckanstieg insbesondere auf die Kanäle 4 in
der Brennkraftmaschine 1 zu beschränken. In diesem Falle kann man am Ausgang 6
vor der Abzweigung der Kühlmittelleitungen zum Hauptkondensator und zum Wärme
tauscher 18 ein Ventil 25 vorsehen, das im Teillastbetrieb, d. h. während Betriebs
phasen, in denen eine höhere Maschinentemperatur erwünscht ist, die Kühlmittel
kanäle 4 vom übrigen System trennt. In diesem Falle muß allerdings eine Unter
brechung der Zufuhr erwärmten Kühlmittels zum Heizungswärmetauscher 18 in Kauf
genommen werden. Im Zulauf 5 wird man dann ein Rückschlagventil vorsehen.
Empfehlenswert ist der Einsatz niedrig siedender Kühlmittel, wie Methanol, die
bei gleicher Kühlleistung ein geringeres Dampfvolumen produzieren und einen uner
wünschten Unterdruck im System vermeiden (Zusammenziehen von Schläuchen, Luftein
tritt).
Mit der Erfindung ist also eine Einrichtung geschaffen, die die grundlegenden
Vorteile einer Verdampfungskühlung für eine Brennkraftmaschine für den Betrieb
eines Heizungswärmetauschers nutzbar macht.
Claims (8)
1. Einrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine durch Verdampfung eines
Kühlmittels und zum Betreiben zumindest eines Heizungswärmetauschers durch
dieses, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit in die Maschine eingelassenen,
mit Ein- und Auslaß versehenen kühlmittelgefüllten Kanälen, zumindest einem
zwischen dem Ein- und dem Auslaß angeordneten Hauptkondensator und mit einem
teilweise mit flüssigem Kühlmittel gefüllten Kühlmittelvorratsbehälter,
die einen Kühlkreislauf bilden, sowie mit einem zumindest einen Teil der
Kanäle einschließenden, den Heizungswärmetauscher und eine Kühlmittelpumpe
enthaltenden Heizkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventilanordnung
(9) vorgesehen ist, die während einer Warmlaufphase der Maschine (1) unter
Abtrennen des Hauptkondensators (8) vom Kühlkreislauf (7) eine Zirkulation
flüssigen und - unter Ausnutzung des Heizungswärmetauschers (18) als Konden
sator - dampfförmigen Kühlmittels nur im Heizkreislauf (17) zuläßt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel
pumpe (20) in Abhängigkeit vom Heizleistungsbedarf gesteuert ist, unabhängig
von diesem aber beim Auftreten von Kühlmitteldampf im Heizkreislauf (17)
eingeschaltet wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilan
ordnung (9) den Hauptkondensator (8) anschließt, wenn im Heizkreislauf (17)
ein vorgegebener Druck des Kühlmittels und/oder im Heizungswärmetauscher (18)
und/oder im Vorratsbehälter (10) ein vorgegebener Stand des flüssigen Kühlmit
tels und/oder im Heizungswärmetauscher (18) ein nahe der Siedetemperatur
des Kühlmittels liegender Temperaturwert erreicht ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Vorratsbehälter (10) unabhängig von der Ventilanordnung (9) mit dem
Heizkreislauf (17) in Verbindung steht.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehäl
ter (10) dauernd mit dem Heizkreislauf (17) verbunden ist.
6. Einrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine durch Verdampfung eines
Kühlmittels, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit in die Maschine einge
lassenen, mit Ein- und Auslaß versehenen kühlmittelgefüllten Kanälen, zumindest
einem zwischen dem Ein- und dem Auslaß angeordneten Hauptkondensator und
mit einem teilweise mit flüssigem Kühlmittel gefüllten Kühlmittelvorratsbe
hälter, die einen Kühlkreislauf bilden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung des Kühlmitteldrucks
dem Hauptkondensator (8) eine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der
Maschine (1) und/oder von Zustandsgrößen des Kühlmittels verstellbare Jalou
sie (13) im Wege der Kühlluftströmung zugeorndet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter
(10) über ein Ventil (24) anschaltbar ist, das zur Erhöhung des Kühlmittel
drucks im Sperrsinne angesteuert wird.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zur zeitweiligen Erhöhung des Kühlmitteldrucks am Auslaß (6) der in die
Maschine (1) eingelassenen Kanäle (4) ein in Abhängigkeit von Betriebspara
metern der Maschine (1) und/oder von Zustandsgrößen des Kühlmittels betätig
bares Ventil (25) angeordnet ist.
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