DE69115865T2

DE69115865T2 - Verdampfungskühlverfahren für eine Brennkraftmaschine und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE69115865T2
Application number: DE1991615865
Authority: DE
Inventors: Dominique Gentile; Douaron Alain Le; Stephane Rousseau; Qinggen Yu; Said Zidat
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2011-11-30
Also published as: DE69115865D1; FR2669962B1; FR2669962A1; ES2081456T3; EP0489628A1; EP0489628B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlverfahren für einen Verbrennungsmotor und insbesondere ein Verfahren, mit dem man den Motor eines Automobils durch Verdampfung einer Kühlflüssigkeit kühlen kann.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Kühlkreis und seine Bestandteile zur Durchfühnung des Verfahrens.
Kühlsysteme spielen für ein gutes Funktionieren von Verbrennungsmotoren eine wesentliche Rolle. Der Wirkungsgrad dieser Motoren, d.h. das Verhältnis zwischen der mittels Verbrennung zugeführten Energie ist gering: Ungefähr 30% für Motoren mit gesteuerter Zündung. Der größte Teil der durch die Verbrennung zugeführten Energie wird somit in Form von Wärme dissipiert.
Ein Teil dieser Wärme, ungefähr die Hälfte, wird von den Abgasen mitgenommen. Die andere Hälfte muß über die Wandungen der Verbrennungskammern abgeführt werden, damit keine schwerwiegenden Funktionsstörungen auftreten: Festftessen der Kolben in den Zylindern (wegen des Unterschieds der Ausdehnungskoeffizienten), Verformung des Zylinderkopfs und undichte Stellen an der Dichtung, Rißbildungen an der Verbrennungskammer, etc....
Daher ist die Abführung der Wärmeeinheiten über ein Kühlsystem notwendig.
Die Kühlung eines Verbrennungsmotors wird im allgemeinen durch erzwungene Konvektion sichergestellt: Ein Kühlfluid, wie zum Beispiel Wasser, Luft, Öl... umspült die Wandungen der Verbrennungskammern.
Üblicherweise verwenden Kühlsysteme einen Wasser-Zwangsumlauf (vermischt mit Rostinhibitoren und Gefrierschutz) in einem Kreis mit geschlossener Schleife. Das von eine Pumpe angetriebene Wasser absorbiert die Wärme der heißen Teile des Motors hauptsächlich in einer den Zylinder umgebenden Wasserkammer, wird daraufhin wiederum in einem Kühler abgekühlt, bei dem die Umgebungsluft zirkuliert, bevor es zu dem Motor zurückkehrt. Man verbessert diesen Betrieb durch Einrichtungen zur Regulierung der Temperatur, durch Einrichtungen zur Entgasung, durch Einrichtungen zur Druckbeaufschlagung des Wasserkreises, um eine Kavitation der Pumpe zu verhindern oder auch durch Einrichtungen für einen raschen Temperaturanstieg bei einem Kaltstart.
Derartige Kühlsysteme weisen jedoch eine gewisse Anzahl von Nachteilen auf.
Die in den Kühlkreis eingeführte Flüssigkeitsmenge ist erheblich.
So ist es unter Berücksichtigung des geringen Werts der Prandtl-Zahl von Wasser
wobei µ: dynamische Viskosität, Cp: spezifische Wärme bei konstantem Druck und k: Leitfähigkeitskoeffizient,
notwendig, eine ziemlich große Menge Wasser zu verwenden, um eine richtige Kühlung des Motors bei voller Last sicherzustellen.
Diese Wassermenge hat ungewollte Auswirkungen: Im Hinblick auf das Gewicht: Sie macht den Motor schwerer, und im Hinblick auf den Temperaturanstieg bei Kaltstarts: Sie bremst diesen Anstieg ab, woraus sich Emissionen von unverbrannten Stoffen und Schadstoffen ergeben.
Darüberhihaus erreichen die Temperaturen der Wandungen an gewissen Punkten der Wasserkammer, insbesondere in den Bereichen hoher Wärmeleitung, ziemlich hohe Werte und führen zu einem unkontrollierten örtlichen Sieden. Es bilden sich somit Dampftaschen, welche die Wandung und die Flüssigkeit trennen und einen gewaltigen Abfall des Wärmeübertragungskoefflzienten mit sich bringen. Deshalb entstehen örtlich heiße Punkte. Diese heißen Punkte erhöhen insbesondere die Erzeugung gewisser NO- und HC-Schadstoffe und können Rißbildungen der Wandungen hervorrufen.
Aus diesen Grüri den wurden andere Kühlsysteme entwickelt, insbesondere Wasser- Dampf-Zweiphasen-Ktlhlsysteme. Hierfür seien unter den neuesten Veröffentlichungen die Patente US-4,572,1 15, US-4,570,579 und US-4,367,699 genannt.
Das Prinzip dieser Systeme ist einfach. Man verwendet die Verdampfüng von Wasser, um mittels des Phänomens der latenten Verdampfüngswärme des Wassers große Wärmemengen des Motors zu absorbieren.
In einem typischen Verdampfüngskühlsystem (oder auch Siedekühisystem) für einen Verbrennungsmotor verdampft die Kühlflüssigkeit im Innern der Wasserkammer. Über das Entnahmesystem in dem oberen Teil der Wasserkammer gelangt der Dampf, indem er röhrenförmige Kanäle und zum Beispiel Flüssigkeit-Dampf-Phasentrenneinrichtungen durchquert, bis zum Kühler, bei dem der Dampf durch die Kühlung aufgrund des Ventilators kondensiert wird. Das Kondensat wird von der Kondensatsammelleitung zu der Wasserkammer des Motors auf geeignete Weise zu einem tiefliegenden Punkt entweder unter dem Einfluß der Schwerkraft (umso mehr, je tiefer der Kondensator unterhalb der Wasserkammer liegt) oder mit Hilfe einer kleinen Hubpumpe zurückgeleitet.
Es wurden zahlreiche Vorteile der Zweiphasen-Kühlsysteme aufgezeigt.
- Die notwendige Flüssigkeitsmenge ist verringert,
- Die heißen Stellen werden begrenzt, es gibt wenige oder keine Temperaturgradienten, da das Sieden für einen gegebenen Druck bei einer konstanten Temperatur stattfindet.
Dennoch bleiben gewisse Probleme.
Eine starke Erzeugung von Dampf, insbesondere beim Betrieb unter großer Last, führt zu einer starken Druckbeaufschlagung des Kreises, was zu einer Beschädigung des Motors führen kann. Um zu große Druckwerte zu vermeiden, müssen Sicherheitsventile vorhanden sein. Diese Ausstöße von Dampf nach außen führen zu einem zunehmenden Verbrauch der Flüssigkeit, wodurch die Unabhängigkeit des Fahrzeugs beeinträchtigt und eine regelmäßige Wartung erforderlich wird.
Eine Druckbeaufschlagung des Kreises kann ebenfalls auftreten, wenn die Abführung des Dampfes am Motorauslaß nicht gut ausgelegt ist. In diesem Fall kann es zu einer Rückanströmung kommen, wodurch eine Austrocknung der höhergelegenen Bereiche des Motors hervorgerufen wird.
Der Großteil der Siedekühisysteme wird eingesetzt, indem man der Flüssigkeit eine freie Oberfläche überläßt. Das heißt, der Motor wird durch stagnierendes Sieden gekühlt. Die Menge an verdampfter Flüssigkeit wird somit systematisch erneuert.
Hierfür werden Pegelsensoren eingesetzt, um die Inbetriebnahme einer Pumpe zu gestatten, wenn dies notwendig ist.
Der Einsatz dieser Sensoren stellt gewaltige Probleme dar; die freie Oberfläche einer siedenden Flüssigkeit ist nicht klar definiert.
Darüberhinaus ist das stagnierende Sieden ungeeignet für eine Kühlung am Hang.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteilen abzuhelfen, indem man ein Verfahren und einen Kreis zur Kühlung durch Verdampfüng einer Flüssigkeit vorschlägt, die eine Hochleistungskühlung unabhängig von den Einsatzbedingungen des Motors auf ganz einfache Weise sichern.
Das erfindungsemäße Verfahren zum Kühlen eines Verbrennungsmotors durch Verdampfen eines Kühlfluids im Innern eines die Wasserkammer des Motors enthaltenden primären Strömungskreises, bei dem die gebildete Dampfphase in den flüssigen Zustand durch Entziehen von Wärme in einem sekundären Kreis rückgeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß man durch geeignete Umwälzeinrichtungen einen Durchfluß von Fluid im flüssigen Zustand in dem gesarnten pnmaren Strömungskreis erzeugt, wobei der in dem primaren und dem sekundären Kreis herrschende Durchfluß und Druck an einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors und/oder physikalische Kenndaten des Kühlfluids angepaßt sind.
Mit Hilfe dieses Verfahrens wird die Kühlung durch zirkulierendes Sieden im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren mit stagnierendem Sieden durchgeführt, wodurch das Problem der Pegelsensoren beseitigt wird und eine wirkungsvolle Kühlung unabhängig von der Neigung des Motors ermöglicht wird, wobei der Vorteil einer verringerten Flüssigkeitsmenge erhalten bleibt. Die Anpassung der physikalischen Kenndaten des zirkulierenden Siedens, Durchfluß und Druck, ermöglicht eine angemessene Auswahl der Kühleinrichtungen und der Bedürthisse des gekühlten Motors. Mit Hilfe der Erfindung schränkt man übermäßige oder unzulängliche Kühlungen stark ein, welche den Betrieb des Motors im Hinblick insbesondere auf den Ausstoß von Schadstoffen beeinrächtigen.
In einer abgewandelten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens verändern sich der Durchfluß der Kühlflüssigkeit und der Druck, die in dem primaren und dem sekundären Strömungskreis herrschen, mit der von dem Motor abgegebenen Leistung.
In einer anderen abgewandelten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden, solange die Leistung des Motors unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt, der Durchfluß der Kühlflüssigkeit und der Druck, die in dem ersten und dem zweiten Strömungskreis herrschen, auf vorbestimmten Werten Q&sub1; bzw. P&sub1; konstant gehalten und wenn die Leistung des Motors diesen vorbestimmten Wert überschreitet, werden dieser Durchfluß und dieser Druck auf neue vorbestimmte Werte Q&sub2; und P&sub2; gebracht, wobei Q&sub2;> Q&sub1; und P&sub2;< P&sub1;.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Kühlen eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch einen primären Strömungskreis, der die Wasserkammer des Motors enthält, in der die Verdampfüng eines Kühlfluids durchgeführt wird, und einen sekundären Kreis, bei dem die gebildete Dampfphase durch Entziehen von Wärme in den flüssigen Zustand rückgeführt wird, und Einrichtungen zur Umwälzung eines ständigen Durchflusses von Fluid in flüssigem Zustand in dem gesamten primären Strömungskreis, wobei der Durchfluß und der Druck, die in dem primaren und dem sekundären Kreis herrschen, an einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors und/oder physikalische Kenndaten des Kühlfluids angepaßt sind.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung besteht der pnmare Strömungskreis der Kühlflüssigkeit aus der Wasserkammer des Motors, einer Sammelleitung, einer Phasentrennvorrichtung und einer Rücklaufleitung in die Wasserkammer, die mit einer hydraulischen Pumpe ausgestattet ist.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung umfaßt der sekundäre Entnahmekreis einen Wärmetauscher, der durch einen Ventilator gekühlt wird und mit der Phasentrennvorrichtung über eine Zuführleitung verbunden ist, einen Flüssigkeitsspeicherbehälter und eine Rücklaufleitung zu dem primären Kreis.
Gemäß einem weiteren Merkmal umfassen die Einrichtungen zum Anpassen des Durchflusses und des Druckes det Kühlflüssigkeit an den Betrieb des Motors einen elektronischen Rechner, der in Abhängigkeit von der von dem Motor abgegebenen Leistung, der Temperatur der Flüssigkeit in der Trennvorrichtung und/oder dem Grad des Vakuums am Austritt des Motors den Ventilator, das Ventil und die Pumpe steuert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, als ein nicht einschränkend aufzufassendes Beispiel mehrerer Ausführungsformen der Erfindung gegebenen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:
- Fig. 1 eine schematische partielle Schnittansicht der Kühlvorrichtung ist;
- Fig. 2 eine partielle Schnittansicht ist, die ein Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 schematisch gezeigten Phasentrennvorrichtung darstellt;
- Fig. 3a und 3b Ansichten zur Verdeutlichung des in Fig. 2 schematisch gezeigten Antidampfventils sind;
- Fig. 4 eine partielle Schnitiansicht des in Fig. 1 dargestellten Kondensators ist;
- Fig. 5 eine Schnittansicht der Einrichtungen zur Messung des Vakuumgrades ist, die zur Steuerung der Kühlvorrichtung verwendet werden;
- Fig. 6 die Ausführung der Einrichtungen zur Messung von Fig. 5 genauer zeigt; und
- Fig. 7 eine schematische partielle Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist.
In Fig. 1 umfaßt die Kühlvorrichtung einen primären Zirkulationskreis C&sub1; des Kühlfluids. Dieser primäre Kreis umfaßt die "Wasserkammer" 20 des Verbrennungsmotors 1. Diese Wasserkammer 20 besteht aus einem die Wandungen der Brennkammern umgebenden Raum, der in dem Zylindergehäuse festgelegt ist und sich in den Zylinderkopf erstreckt. Der obere Teil der Wasserkammer 20 steht über eine Sammelleitung 2 mit einer Phasentrennvorrichtung 3 in Verbindung. Der primäre Kreis C&sub1; setzt sich dann über eine Leitung 5 fort, welche den unteren Teil der Phasentrennvorrichtung 3, bei deni die Flüssigkeit aufgefangen wird, mit einer Versorgungspumpe 4 und die Pumpe 4 mit der Wasserkammer verbindet. Der primäre Kreis C&sub1; bildet somit eine Zirkulationsschleife für die Kühlflüssigkeit.
Dieser primäre Kreis C&sub1; ist zu einem sekundären Entnahmekreis C&sub2; für die Verarbeitung der Dampfphase geöffnet. Dieser zweite Kreis C&sub2; weist eine Leitung 12 auf, welche den oberen Teil der Phasentrennvorrichtung 3, bei dem der Dampf zirkuliert, mit einem Tauscher 6 verbindet, bei dem das Kondensat aufgefangen wird, das über die Leitung 13 mit einem Speicherbehälter 11 in Verbindung steht. Dieser Speicherbehälter 11 ist mit einem Ventil 10 versehen, mit dem man den dort herrschenden Druck einstellen kann. Die durch den zweiten Kreis erzeugte Entnahme endet in der Leitung 15, welche den Speicherbehälter 11 mit der Pumpe 4 verbindet, und die Leitung 15 ist mit einem Ventil 8 ausgestattet, das durch den Flüssigkeitspegel in dem Speicherbehälter 11 durch eine Schwimmervorrichtung 9 gesteuert wird.
Die Verwendung der Pumpe 4, des Ventilators 7 und des Ventils 10 wird durch einen elektronischen Rechner 17 in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern gesteuert: die Temperatur der Flüssigkeit in der Phasentrennvorrichtung (Sonde 18), die Leistung des Motors, die Temperatur an den Wandungen der Bremikammem oder aber der Vakuumgrad am Austritt der Wasserkammer (Leitfähigkeitssonde 19).
Die Arbeitsweise der soeben beschriebenen Vorrichtung wird im folgenden beschrieben:
Vor dem Anlassen des Motors 1 liegt das Kühlfluid in flüssiger Form vor und ist nur in dem Primärkreis C&sub1; vorhanden mit Ausnahme einer in dem Speicherbehälter 11 gehaltenen kleinen Menge, wobei das Ventil 8 in der Schließstellung ist, wodurch der Durchtritt der Flüssigkeit des Primärkreises C&sub1; zu dem Speicherbehälter 11 und dem Tauscher 6 verhindert wird. Beim Anlassen erzeugt der Rechner 17 einen Sollwert P&sub1; für den Druck, der in dem Speicherbehälter 11 und somit über den Tauscher 6 und die Leitung 12 in der gesamten Kühlvorrichtung herrscht. Dieser Druck wird durch die Betätigung des Ventus 10 erzeugl. Der Rechner 17 bestimmt ebenfalls einen Durchflußwert Q&sub1; für die Pumpe 4. Das Kühfluid zirkuliert in dem primären Kreis C&sub1; bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Flüssigkeit in der Wasserkammer 20 bei Berührung der heißen Wandungen der Brennkammern zu sieden beginnt. Von nun an zieht die Sammelleitung 2 ein Flüssigkeit-Dampf-Gemisch ab. Die Trennung der Phasen findet in der Trennvorrichtung 3 statt. Die Flüssigkeit zirkuliert weiterhin in einer geschlossenen Schleife in dem primären Kreis C&sub1; . Der Dampf drückt in den als Entnahmekreis bezeichneten zweiten Kreis C&sub2; und tritt in den Tauscher 6 ein, wobei er die dort befindliche Luft verdrängt und sie in dem Speicherbehälter 11 komprimiert.
Das Kondensat wird in den Speicherbehälter 11 eingespeist und hebt somit den Flüssigkeitspegel an. Wenn ein Schwellenpegel überschritten wird, öffiiet die den Pegelsensor bildende Schwimmervorrichtung 9 das Ventil 8, wodurch in dem ersten Kreis oder der ersten Schleife C&sub1; eine gewisse Flüssigkeitsmenge erneut zum Umlauf gebracht wird. Die Schwimmervorrichtung 9 verschließt das Ventil 8 wieder, sobald der Pegel ausreichend abgesunken ist.
Wenn in dem Kreis der Druck zunimmt, steuert der Rechner 17 den Betrieb des Ventilators, um die Kondensation bei dem Kühler 6 zu beschleunigen, und betätigt, wenn die Kondensation nicht ausreicht, das Ventil 10 dergestalt, daß die zuvor in dem Speicherbehälter 11 gespeicherte Druckluft austreten kann. Die Regelung des in dem Kreis herrschenden Drucks geschieht mit Hilfe des Temperatursensors 18, der in dem unteren Teil der Phasentrennvorrichtung 3 im Kontakt mit der flüssigen Phase angeordnet ist.
Diese Regelung erlaubt es daher, einen praktisch konstanten Druck und somit eine feste Verdampfungstemperatur aufrechtzuerhalten, was keine häufige Öffnung des Regelungsventils erfordert.
Wenn im Verlaufe des Betriebs die Motorleistung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, erzeugt der Rechner 17 dann einen zweiten Sollwert P&sub2; für den in dem Kühlkreis herrschenden Druck mit P&sub2; < P&sub1;, indem der Ventilator 7 und das Ventil 10 gesteuert werden
Ebenso wird der Durchfluß der Pumpe 4 verändert und auf einen Wert Q&sub2; gebracht, wobei Q&sub2; > Q&sub1;.
Indem man den Siedepunkt verringert und den Durchfluß der Kühlflüssigkeit erhöht, kann der Kreis die erhöhten Kühlbedürthisse zufriedenstellen, wobei dieselbe Vorrichtung und dieselbe Menge an Kühlfluid verwendet wird.
Beim Anhalten des Motors verursacht der in dem Kühler 6 und der Phasentrennvorrichtung 3 erzeugte Unterdruck die Entleerung des Speicherbehälters 11.
Fig. 2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der zuvor beschriebenen Phasentrennvorrichtung 3 und der Sammelleitung 2.
Eine Phasentrennvorrichtung benötigt ein großes Volumen, um das Flüssigkeit-Dampf- Gemisch von seinem Eintritt an zu verlangsamen und somit die Auswirkung der Mitnahmekraft der beiden Phasen zu verringern. Die beiden Phasen werden dann durch ihre Schwerkraft getrennt: Der Dampf tritt oben an der Trennvorrichtung aus, während die am Boden des Gefäßes aufgefangene Flüssigkeit nach unten austritt.
Die Dampf-Sammelleitung hat die Aufgabe, den Abzug des Dampfes des Motors zu dem Kondensator hin zu erleichtern. Durch ihre senkrecht zum Zylinderkopf des Motors angeordneten vertikalen Leitungen verringert sie die Gefahr einer Siedekrise, indem der Vakuumgrad und die Temperatur der Zweiphasen-Strömung homogenisiert werden.
Darüberhinaus ist es für die Erleichterung des Durchtritts des Dampfes der Sammelleitung zu der Trennvorrichtung notwendig, diese beiden Elemente mit einer Leitung großen Durchmessers zu verbinden.
Hieraus ergibt sich, daß eine Sammelleitung-Trennvorrichtung-Einheit gewöhnlicherweise ein großes Volumen einnimmt, was mit den Anforderungen der heutigen Fahrzeuge kaum vereinbar ist.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wurden die Trennvorrichtung und die Sammelleitung zu einer einzigen Einheit 23 vereinigt. Diese Einheit umfaßt eine Vielzahl vertikaler Leitungen 232, eine zylinderförmige Kammer 234, einen Dampfaustritt 233 und einen Wasseraustritt 231, der mit einem Antidampfventil ausgestattet ist.
Die vertikalen Leitungen 232 ragen ins Innere der Kammer 234 bis zu ungefähr einem Drittel von deren Höhe. Somit kann das unmittelbar von dem Motor abgezogene Flüssigkeit-Dampf-Gemisch aus den Leitungen 232 frei in die Kammer 234 münden. Der Dampf tritt vom oberen Teil der Trennvorrichtung zu dem Kondensator über die Leitung 12 aus, während die Flüssigkeit auf den Boden der Sammelleitung zurückfällt, wo sie dann über die Leitung 5 nach unten abgezogen wird, nachdem sie das Antidampfventil durchquert hat.
Dieses Antidampfventil ist in Fig. 3a und 3b genauer gezeigt. Die Aufgabe dieses Ventils ist es, jeglichen Durchtritt von Dampf in den Rücklaufkreis 5 der Flüssigkeit zu dem Motor zu unterbinden, weil dieser Durchtritt schädliche Unterdrücke erzeugen könnte.
Das Ventil befindet sich in einem Hohlraum 235, an dessen Boden die Wasseraustrittsöffiiung 231 eingearbeitet ist. Diese Öffhung hat einen Sitz 236, der durch das untere Ende eines eine Düsennadel bildenden Schwimmers 237 blockierbar ist. Der Schwimmer 237 wird oberhalb des Sitzes gehalten, und zwar in einem zylindertörmigen Führungsrohr 238, das in seinem oberen Teil geschlossen und in seinem unteren Teil mit Aussparungen zum Durchtritt der Flüssigkeit versehen ist.
Wenn Flüssigkeit über die vertikalen Leitungen 232 abgezogen wird, füllt sie den Hohlraum 235, und der Schwimmer 237 steigt in dem Fiihrungsrohr 238 an, wobei die Öffnung 231 freigegeben wird. Wenn es keine Flüssigkeit mehr hat, fällt der Schwimmer 237 zurück, die gegen den Sitz drückende Düsennadel 236 schließt die Öffnung 231 und verhindert jeglichen Dampfdurchtritt.
In Fig. 4 hat der zuvor beschriebene Kondensator 6 zwei Durchfläufe. Er wird durch einen Kühler 46 gebildet, der zwei vertikale Ventilkammern aulweist7 eine erste Kammer 460 und eine zweite Kammer 461, welche miteinander durch Bündel 462 aus Röhren mit geringem Durchmesser verbunden sind, die sich im wesentlichen horizontal erstrecken. Die erste Kammer 460, bei der die Dampfzuleitung 12 mündet, ist mittels einer horizontalen Trennwand in zwei Halbkammern unterteilt.
Der Dampf dringt in die obere Halbkammer ein und durchquert die Bündel aus horizontalen Röhren 462, um in die zweite Kammer 461 zu gelangen. Ein Teil des Dampfes kondensiert im Verlauf dieses Durchtritts und fließt am Boden dieser zweiten Kammer 461 ab.
Der verbleibende Dampf durchquert die horizontalen Röhren in der anderen Richtung, um in die untere Halbkammer zu gelangen. Ein neuer Teil des Dampfes kondensiert während dieses zweiten Durchtritts und wird am Boden der unteren Halbkammer aufgefangen.
Der restliche Dampf wird angesaugt und erneut in die obere Haibkammer mit Hilfe eines Ansaugsystems eingeleitet, das durch eine Turbine 463 betätigt wird. Wegen des geringen Druckabfalls zwischen dem Eintritt und dem Austritt dieser Kondensatorart benötigt die Turbine nur eine geringe Antriebsleistung.
Die untere Halbkammer und die zweite Kammer besitzen am Boden eine Abzugsöffiiung für das Kondensat Um zu verhindern, daß der Dampf aus dem Kondensator ohne zu kondensieren austritt, hat jede seiner Öffnungen ein dem zuvor beschriebenen ähnliches Antidampfventil 464.
Fig. 5 zeigt ausführlicher eine Schnittansicht der Leitfähigkeitssonde 19 der Meßeinrichtungen für den Vakuumgrad. Sie besteht im wesentlichen aus zwei kreisringtörmigen Elektroden 191 - 192, die in einem gewissen Abstand voneinander koaxial auf einen isolierenden und hitzebeständigen Zylinder 190 geschoben sind. Diese so gebildete Einheit bildet einen Austritt des Kühlkreises: der den Austritt der Wasserkammer des Motors mit der Trennvorrichtung verbindet.
Fig. 6 zeigt den elektrischen Schaltkreis, der an dem Ausgang der Elektroden angeschlossen ist und die Messung des mittleren Vakuumgrades ermöglicht. Er besteht aus einem Leitfähigkeitsmesser C, der einem Integrator I zuegordnet ist. Der Leitfähigkeitsmesser umfaßt eine Spannunsquelle U&sub0;, die mit einer der Elektroden der Leitfähigkeitssonde verbunden ist und einen zwischen die Masse und die zweite Elektrode der Sonde geschalteten Widerstand R&sub1;. Der Integrator besteht wie üblich aus einem Operationsverstärker T&sub1; und einem Kondensator C&sub1;.
Die Sonde mit einer Leitfähigkeit G bildet mit dem Widerstand R&sub1; einen Spannungsteiler, an dem die Messung des Vakuumgrades durch die Messung der Spannung UR an den Klemmen des Widerstands R&sub1; durchgeführt werden kann.
Aufgrund des Ohm'schen Gesetzes kann man schreiben:
wobei R&sub1; so ausgewählt wird, daß 1/G viel größer als R&sub1; ist, woraus sich ergibt, daß
woraus sich ergibt, daß
Da der Leitwert unmittelbar mit dem Vakuumgrad verbunden ist, ist dieser bekannt.
Die Integration ermöglicht üblicheiweise eine Abschätzung des mittleren Vakuumgrades durch eine Abschätzung des mittleren Leitwertes jiber die Zeit t&sub0;:
wobei Us die Ausgangsspannung des Systems ist.
Fig. 7 stellt eine abgewandelte Ausführungsform des Kühlkreises dar, bei dem das Entlüftungsventil 10 weggelassen ist. Es scheint so zu sein, daß, auch wenn ein derartiges Entlüfüngssystem einfach anwendbar ist, es dennoch gewisse Nachteile aulweist, von denen der Verlust an Kühlflüssigkeit und dessen beschleunigtes Altern durch Sauerstoffanreicherung erwähnt seien.
Um diese Nachteile zu vermeiden, schlägt man vor, den Kreis vollständig geschlossen zu halten, wie in einem herkömmlichen Einphasen-Kühlkreis, indem man einen Speicherbehälter mit veränderbarem Volumen verwendet, das die Volumenausdehnung ausgleicht.
Ein derartiges System gestattet eine Regelung des Druckes des Kreises auf eine gleichzeitig einfache, sichere und stabile Art: ein einfacher Druck auf den Blasebalg erhöht den Druck des Kreises im Gegensatz zu einem Entlüftungssystem, das mehr Zeit zum Einstellen der Drücke benötigt.
Ähnlich wie der in Fig. 1 beschriebene Kreis weist der vorliegende Kreis einen primären Zirkulationskreis des Kühlfiuids V&sub1; auf Der primäre Kreis V&sub1; umfaßt die "Wasserkammer" des Motors 1, eine Dampf-Sammelleitung-Trennvorrichtung 23, eine Leitung 5, die mit einem Rückstromblockierventil 55 ausgestattet ist, welches den unteren Teil der die Flüssigkeit sammelnden Trennvorrichtung mit einer Versorgungspumpe 4 verbinden kann, und die sich von der Pumpe bis zum Eintritt in die Wasserkammer erstreckt.
Die Dampfphase wird in einem sekundären Kreis V&sub2; zur Entnahme am Kreis V&sub1; verarbeitet, bei dem eine Leitung 12 den Dampfaustritt der Trennvorrichtung 23 mit dem Eingang des Kondensators 46 verbindet und ein Präzisionssensor an dieser Leitung angebracht ist.
Eine Turbine 122 ist vor dem Eingang des Kondensators eingefügt, um den Abzug des Motoraustrittsdampfes zu erleichtern, falls dies Schwierigkeiten bereiten würde.
Am Austritt des Tauschers wird das Kondensat in einer Leitung 13 aufgefangen, die mit einem Rückstromblockierventil 131 ausgestattet ist. Diese Leitung steht mit einem Speicherbehälter 51 mit veränderlichem Volumen in Verbindung und erstreckt sich bis zu einem Ventil 81, das von dem Rechner gesteuert wird.
Der Entnahmekreis V&sub2; endet in einer Leitung, welche das Ventil 81 mit der Pumpe 4 verbindet.
Da dieser Kreis vollständig geschlossen ist und es kein Entlüftungsventil wie in der zuvor beschriebenen Vorrichtung gibt, ist es notwendig, ein Sicherheitsventil 47 in dem oberen Teil des Kondensators 46 anzuordnen. Dessen Aufgabe ist es, jegliche Druckerhöhung zu vermeiden, die man nicht überwachen könnte. Die Ursache eines derartigen Überdrucks kann zum Beispiel eine Panne der Pumpe oder die Blockierung eines Ventils sein.
Die Verwendung der Pumpe 4, des Ventilators 7, des Ventils 81, des Speicherbehälters 51 und gegebenenfalls der Turbine 122 wird durch einen elektronischen Rechner 171 in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern gesteuert:
- Motorleistung
- Temperatur an den Wandungen der Brennkammern
- Druck in dem Dampfzweig
- Vakuumgrad, etc....
Die Arbeitsweise der soeben beschriebenen Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Im Kaltzustand vor dem Anlassen des Motors list der gesamte Kreis (V&sub1; und V&sub2;) mit dem Kühlfluid im flüssigen Zustand gefüllt. Der Speicherbehälter mit veränderlichem Volumen 51 ist dann in seiner Minimalstellung.
Beim Anlassen veranlaßt der Rechner 171 die Schließung des Ventus 81, wodurch die Zirkulation des Fluids in dem Entnahmekreis V2 unterbrochen wird, und bestimmt einen Durchfluß Q für die Pumpe 4 sowie einen Betriebsdruck P. Die Regelung des Speicherbehälters 51 mit veränderlichem Volumen durch die Daten des Sensors 121 ermöglicht eine quasi-momentane Anpassung des Drucks. Die Erwärmung der Flüssigkeit in der Schleife V&sub1; verursacht eine Ausdehnung des Fluids, die durch die Erweiterung des Speicherbehälters 51 mit veränderlichem Volumen ausgeglichen wird.
Wenn das Sieden in der Wasserkammer des Motors 1 eingeleitet wird, wird das Flüssigkeit-Dampf-Zweiphasen-Gemisch in der Sammelleitung-Trennvorrichtung 23 getrennt. Die Flüssigkeit zirkuliert weiterhin in der Schleife V&sub1;. Der Dampf drückt in die Leitung 12 des Kreises V&sub2; und tritt in den Kondensator 46 ein.
Die Einnahme eines gewissen Vohimens in der Leitung 123 und dem Tauscher 46 durch den Dampf führt zum Ausstoß eines entsprechenden Flüssigkeitsvolumens zu dem Speicherbehälter 51 mit veränderlichem Volumen. Der Rechner 171, der Informationen von dem Drucksensor 121 erhält, ermöglicht eine fortschreitende Verschiebung des den Speicherbehälter 51 bildenden Blasebalgs dergestalt, daß der Druck im wesentlichen konstant gehalten wird.
Wenn der Speicherbehälter gefüllt ist, oder wenn der Flüssigkeitspegel in dem Kondensator einen Grenzwert erreicht, setzt der Rechner 171 den Ventilator 7 in Gang und öfihet das Ventil 81.
Der Rechner 171 überwacht somit den Druck und die Kühlung des Fluids, indem er den Damp in dem Tauscher mehr oder weniger kondensiert. Gleichzeitig steuert er den Speicherbehälter mit veränderlichem Volumen dergestalt, daß die zu großen Druckschwankungen abgeschwächt werden, indem er das Volumen des Blasebalgs je nach Bedarf verändert.
Der Rechner 171 verändert den Sollwert der Betätigungseinrichtungen (Pumpe, Ventilator, Blasebalg) dergestalt, daß P und Q an den gewünschten Betriebsbereich angepaßt werden.
Bei einer Betriebsstörung des Systems (unkontrollierter Druckanstieg) läßt das Sicherheitsventil eine gewisse Dampfmenge ab. Der Rechner 17 gleicht dann unmittelbar diesen Fluidverlust aus, indem er das Volumen des Blasebalgs 51 verringert, um Flüssigkeit erneut in den Kreis einzuleiten.
Somit führt eine Druckerhöhung aufgrund einer Betriebsstörung nicht zu einem unmittelbaren Anhalten des Systems.
Die Rückstromblockierventile 51 und 131 haben die Aufgabe, jegliches Aufsteigen von Flüssigkeit durch die Leitungen 5 und 12 zu verhindern, wenn man das Volumen des Blasebalgs verringert.
Beim Anhalten des Motors 1 beendet man die Kondensation des in dem Kreis verbleibenden Dampfes, und man verringert das Volumen des Blasebalgs in zunehmendem Maße, um in den Anfangszustand zurückzugelangen, d.h. V&sub1; und V&sub2; mit Wasser gefüllt. Während dieser Zeit hält die Pumpe 4 weiterhin einen Durchfluß aufrecht, um die Fluide der Kreise V&sub1; und V&sub2; zu vermischen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und es lassen sich bei ihr weitere abgewandelte Ausführungen durchführen.
So ist es möglich, eine N-modale, N > 2, und nicht nur bimodale Anpassung des Druckes und des Durchflusses zu verwenden, indem man den Bereich der Leistungsänderung des Motors in N Segmente unterteilt.
Somit ist es möglich, eine Anpassung des Druckes und des Durchflusses zu erzielen, welche die Motorleistung, aber auch die Temperatur bei den Wandungen der Brennkammern berücksichtigt.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen eines Verbrennungsmotors durch Verdampfen eines Kühlfluids im Innern eines die Wasserkammer des Motors enthaltenden primären Strömungskreises (C&sub1;), bei dem die gebildete Damptphase in den flüssigen Zustand durch Entziehen von Wärme in einem sekundären Kreis (C&sub2;) rückgeführt wird, dadurch gekefinzeichnet, daß man durch geeignete Umwälzeinrichtungen (4, 17) ständig einen Durchfluß von Fluid im flüssigen Zustand in dem gesamten primären Strömungskreis (C&sub1;) erzeugt, wobei der in dem primären Kreis (C&sub1;) und dem sekundären Kreis (C&sub2;) herrschende Durchfluß und Druck an einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors und/oder physikalische Kenndaten des Kühlfluids angepaßt sind.

2. Verfahren zum Kühlen eines Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Durchfluß der Kühlflüssigkeit und der Druck, die in dem primären (C&sub1;) und dem sekundären Strömungskreis (C&sub2;) herrschen, mit der von dem Motor abgegebenen Leistung verändern.

3. Verfahren zum Kühlen eines Motors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, solange die Leistung des Motors unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt, der Durchfluß der Kühlflüssigkeit und der Druck, die in dem ersten (C&sub1;) und dem zweiten Strömungskreis (C&sub2;) herrschen, auf vorbestimmten Werten Q&sub1; bzw. P&sub1; konstant gehalten werden, und daß, wenn die Leistung des Motors diesen vorbestimmten Wert überschreitet, dieser Durchfluß und dieser Druck auf neue vorbestimmte Werte Q&sub2; und P&sub2; gebracht werden, wobei Q&sub2; > Q&sub1; und P&sub2; < P&sub1;.

4. Vorrichtung zum Kühlen eines Verbrennungsmotors mit einem primären Strömungskreis (C&sub1;), der die Wasserkammer (20) des Motors enthält, in der die Verdampfüng eines Kühlfluids durchgeführt wird, und einem sekundären Kreis (C&sub2;), bei dem die gebildete Dampfphase durch Entziehen von Wärme in den flüssigen Zustand rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen zur Umwälzung (4, 17) aufweist, die durch einen ständigen Durchfluß von Fluid im flüssigen Zustand in dem gesamten primären Strömungskreis (C&sub1;) ausgelegt sind, wobei der Durchfluß und der Druck, die in dem primären (C&sub1;) und dem sekundären Kreis (C&sub2;) herrschen, an einen oder mehrere Betriebsparameter des Motors und/oder physikalische Kenndaten des Kühlfluids angepaßt sind.

5. Vorrichtung zum Kühlen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Strömungskreis (C&sub1;) der Kühlflüssigkeit aus der Wasserkammer des Motors, einer Sammelleitung (2, 23), einer Phasentrennvorrichtung (3, 23) und einer Rücklaufleitung (5) zur Wasserkammer, die mit einer hydraulischen Pumpe (4) ausgestattet ist, besteht.

6. Vorrichtung zum Kühlen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelleitung und die Phasentrennvorrichtung in einer einzigen Einheit (23) vereinigt sind.

7. Verfahren zum Kühlen nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung (231) der Rücklaufleitung (5) mit einem Schwimmerventil (237) ausgestatlet ist, welches den Durchtritt des Dampfes unterbindet.

8 Verfahren zum Kühlen nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre Entnahmekreis (C&sub2;) einen Wärmetauscher (6, 46), der durch einen Ventilator (7) gekühlt wird und mit der Phasentrennvorrichtung über eine Zutührleitung (12) verbunden ist, einen Flüssigkeitsspeicherbehälter (11, 511) und eine Rücklaufleitung (15) zu dem primären Kreis aufweist.

9. Verfahren zum Kühlen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus einem Kühler mit zwei Durchläufen (46) gebildet ist, welche zwei Wassersammelkammem aufweisen, die vertikal angeordnet sind (460, 461), wobei die Wasserkammern über Bündel horizontaler Röhren (462) verbunden sind und die Entleerungsöffnungen des Kondensats, die im Boden der Wasserkammern angeordnet sind, mit Antidampfventilen (464) ausgestattet sind und eine Turbine (463) eine Zirkulation des restlichen Dampfes bis zu seiner vollständigen Kondensation sichert.

10. Vorrichtung zum Kühlen nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspeicherbehälter aus einem Speicherbehälter mit veränderlichem Volumen (511) gebildet ist.

11. Vorrichtung zum Kühlen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß der Speicherbehälter aus einem Blasebalgraum (512) gebildet ist, dessen Volumen über die Überwachungseinrichtungen gesteuert wird.

12 Vorrichtung zum Kühlen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung (15) mit Blockiereinrichtungen (8, 9) versehen ist, die durch den Flüssigkeitspegel in dem Speicherbehälter gesteuert werden.

13. Vorrichtung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (11) mit einem Ventil (10) versehen ist, welches eine Einstellung des Drucks in dem Speicherbehälter und in der Gruppe aus dem primären Kreis und dem sekundären Kreis (C&sub1;, C&sub2;) ermöglicht.

14. Vorrichtung zur Kühlung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Anpassen des Durchflusses und des Druckes der Kühlflüssigkeit an den Betrieb des Motors einen elektronischen Rechner (17) aufweisen, der in Abhängigkeit von der von dem Motor abgegebenen Leistung und von der Temperatur der Flüssigkeit in der Trennvorrichtung (3) und/oder von dem Vakuumgrad den Ventilator (7), das Ventil (10) oder den Blasebalg (512) und die Pumpe (4) steuert.

15. Vorrichtung zum Kühlen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen des Vakuumgrades eine Leitfähigkeitssonde (19) mit zwei Elektroden aufweisen, die am Ausgang der Wasserkammer angeordnet sind.