DE3809136C2 - Einrichtung zur Verdampfungskühlung einer Brennkraftmaschine und zum Betreiben eines Heizungswärmetauschers durch das Kühlmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gegenüber der üblichen Flüssigkeits- oder Konvektionskühlung bietet das Prinzip der Verdampfungskühlung den Vorteil eines erheblich größeren Wirkungsgrads, da der Wärmetransport 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 Ventilators erzeugten Luftstrom Wärme entnommen wird. Auch für den Fall der Verdampfungskühlung sind Lösungen bekannt, die Wärme des Kühlmittels zum Betrieb von Fahrzeugheizungen auszunutzen. So beschreibt die gattungsgemäße EP 0 176 985 A2 eine nach dem Verdampfungsprinzip arbeitende Kühleinrichtung, wobei an die Kühlmittelräume und -kanäle der Brennkraftmaschine ein einen Heizungswärmetauscher für den Fahrgastinnenraum sowie eine Pumpe enthaltender Heizkreislauf angeschlossen ist. Eine weitere Kühlmittelpumpe ist im Kühlkreislauf angeordnet, der den Hauptkondensator und ein Dreiwegeventil enthält, mit dem der Durchfluß durch den Hauptkondensator gesperrt werden kann.

Die beschriebene bekannte Einrichtung hat 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. Durch den Einsatz von zwei Kühlmittelpumpen ist dieses System jedoch baulich aufwendig.

Ein weiterer Vorteil dieser bekannten Einrichtung ist darin zu sehen, daß der Heizkreislauf nur von einer relativ kleinen Menge des Kühlmediums durchströmt wird, so daß er die Erwärmung der Brennkraftmaschine auf Betriebstemperatur nur in vertretbarem Maße verzögert. Der Hauptkondensator wird bei der beschriebenen bekannten Einrichtung wirksam, sobald die Verdampfung des Kühlmediums in den in die Maschine eingelassenen Kühlmittelkanälen auftritt.

Die US-PS 4 367 699 beschreibt eine ebenfalls nach dem Verdampfungsprinzip arbeitende Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der der Heizungswärmetauscher 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 Hauptkondensator der Kühleinrichtung. Hinsichtlich 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 Verdampfungskühlung, 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 erhitzter Luft beschlagfrei zu machen und zu halten. Diesem grundsätzlichen Erfordernis kann die amerikanische Einrichtung nicht gerecht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung so zu verbessern, daß bei einem verringerten baulichen Aufwand eine schnelle Aufheizung des Heizungswärmetauschers nach dem Starten der Brennkraftmaschine sichergestellt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer gattungsgemäßen Einrichtung in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist - außer in ihrem einfachen Aufbau - darin zu sehen, daß infolge Abschaltung insbesondere des Hauptkondensators während der Aufwärmphase 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 Hubkolben 2 aufnehmenden Zylinders 3 mit kühlmittelgefüllten Kanälen 4 oder Räumen geschnitten dargestellt ist, besitzt den Einlaß 5 und den Auslaß 6 für das Kühlmittel; beide stehen verständlicherweise in Strömungsverbindung mit den Kanälen 4.

Wesentliche Bestandteile des Kühlkreislaufs 7 der Maschine bilden - außer den Kanälen 4 - der Hauptkondensator 8, das vom Kühlmitteldruck betätigte Ventil 9 und der Vorratsbehälter 10 für das Kühlmittel, der gegen die Atmosphäre durch ein Druckbegrenzungsventil 11 abgeschlossen ist und demgemäß zugleich einen Ausgleichsbehälter 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 Brennkraftmaschine 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 einerseits bei Anforderung von Heizungswärme durch den Fahrer des Fahrzeugs eingeschaltet wird, so daß der Heizkreislauf 17 von erwärmtem Kühlmittel durchströmt wird, und die andererseits unabhängig davon beim Erreichen einer vorgegebenen Kühlmitteltemperatur, 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 Sytem in flüssiger Form vorliegt. Dagegen ist die eigentliche Kühl- und Heizeinrichtung mit flüssigem Kühlmittel gefüllt und entlüftet. Das vom Druck des Kühlmittels betätigbare Ventil 9 befindet sich in Sperrstellung, so daß der Hauptkondensator 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 zunehmend 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 Kühlmittelpumpe 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 Kühlmittelpumpe 20 vorzusehen, d. h. eine solche, deren Fördermenge in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine und/oder der verlangten Heizungswärme veränderbar 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 Heizungswärmetauscher 18, der jetzt gleichsam als Nebenkondensator dient, gelangen (Fig. 2). Durch die Dampfblasenbildung wird infolge des nach wie vor geschlossenen Zustands des Ventils 9 flüssiges Kühlmittel in den als Ausgleichsbehälter dienenden Vorratsbehälter 10 verdrängt, und das im Heizungswärmetauscher 18 kondensierende dampfförmige Kühlmittel gibt seine Kondensationswärme 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 Auslaß 6 der Brennkraftmaschine 1 her in den Hauptkondensator 8, wo es kondensiert und sich in flüssiger 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 Heizungswärmetauscher 18 oder aber in Abhängigkeit von der dort gemessenen Temperatur gesteuert werden kann; sobald die Temperatur im Heizungswärmetauscher 18 einen Schwellwert kurz unter der Siedetemperatur des Kühlmittels erreicht hat, erfolgt der Anschluß des Hauptkondensators 8.

Das System wird so ausgelegt, daß bei ungünstigsten Bedingungen, d. h. maximale Dampfmenge, hohe Außentemperatur und niedrige Geschwindigkeit der den Hauptkondensator durchströmenden Kühlluft, der Kühlmitteldampf fast den gesamten Hauptkondensator 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 Brennkraftmaschine 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 eines 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 geöffneten Zustand (Fig. 3) verstellt werden kann. In der Regel wird man die Verstellung der Jalousie zum Zwecke der Beeinflussung des Kühlmitteldrucks erst bei warmer Maschine (Fig. 3) vornehmen, während in den den Fig. 1 und 2 zugrundeliegenden Betriebsphasen der Maschinen die Jalousie geschlossen ist.

Damit insbesondere das Luftpolster oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Vorratsbehälter 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 zunehmenden 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 Auslaß 6 vor der Abzweigung der Kühlmittelleitungen zum Hauptkondensator und zum Heizungswärmetauscher 18 ein Ventil 25 vorsehen, das im Teillastbetrieb, d. h. während Betriebsphasen, in denen eine höhere Maschinentemperatur erwünscht ist, die Kanäle 4 vom übrigen System trennt. In diesem Falle muß allerdings eine Unterbrechung der Zufuhr erwärmten Kühlmittels zum Heizungswärmetauscher 18 in Kauf genommen werden. Im Einlaß 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 unerwünschten Unterdruck im System vermeiden (Zusammenziehen von Schläuchen, Lufteintritt).

Claims (7)

1. Einrichtung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine (1) durch Verdampfung eines Kühlmittels und zum Betreiben zumindest eines Heizungswärmetauschers (18) durch dieses, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit in die Brennkraftmaschine (1) eingelassenen, kühlmittelgefüllten Kanälen (4), welche mit einem Einlaß (5) und einem Auslaß (6) für das Kühlmittel verbunden sind, mit zumindest einem durch Leitungen mit dem Einlaß (5) und dem Auslaß (6) verbundenen Hauptkondensator (8), einer Kühlmittelpumpe (20) in der Leitung zwischen Hauptkondensator (8) und Einlaß (5) der Brennkraftmaschine (1) und einem Ventil (9) zum Sperren des Durchflusses durch den Hauptkondensator (8), die einen Kühlkreislauf (7) bilden, und mit einem Heizkreislauf (17) mit einem Heizungswärmetauscher (18), der über eine Zu- und eine Ableitung mit dem Kühlkreislauf (7) verbunden ist sowie mit einem teilweise mit flüssigem Kühlmittel gefüllten Vorratsbehälter (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung des Heizungswärmetauschers (18) mit dem Auslaß (6) der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist und die Ableitung des Heizungswärmetauschers (18) vor der Kühlmittelpumpe (20) in die Leitung zwischen Hauptkondensator (8) und Einlaß (5) der Brennkraftmaschine (1) mündet und das Ventil (9) während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (1) unter Abtrennen des Hauptkondensators (8) vom Kühlkreislauf (7) eine Zirkulation flüssigen und - unter Ausnutzung des Heizungswärmetauschers (18) als Kondensator-dampfförmigen Kühlmittels nur im Heizkreislauf (17) zuläßt und 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 Kühlmittels und/oder im Heizungswärmetauscher (18) ein nahe der Siedetemperatur des Kühlmittels liegender Temperaturwert erreicht ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelpumpe (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 der Vorratsbehälter (10) unabhängig von dem Ventil (9) mit dem Heizkreislauf (17) in Verbindung steht.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) dauernd mit dem Heizkreislauf (17) verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung des Kühlmitteldrucks dem Hauptkondensator (8) eine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) und/oder von Zustandsgrößen des Kühlmittels verstellbare Jalousie (13) im Wege der Kühlluftströmung zugeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) über ein Ventil (24) anschaltbar ist, das zur Erhöhung des Kühlmitteldrucks im Sperrsinne angesteuert wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitweiligen Erhöhung des Kühlmitteldrucks am Auslaß (6) der in die Brennkraftmaschine (1) eingelassenen Kanäle (4) ein in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) und/oder von Zustandsgrößen des Kühlmittels betätigbares Ventil (25) angeordnet ist.