NL8320385A - Kokend vloeistofkoelsysteem voor inwendige verbrandingsmotoren. - Google Patents

Description

83 2Ui^u < N032556 1

Kokend vloeistofkoelsysteem voor inwendige verbrandingsmotoren

Gebied der techniek

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een koelsysteem voor 5 inwendige verbrandingsmotoren dat het rendement wezenlijk vergroot en ongewenste emissies uit de motor vermindert en minder kostbaar te vervaardigen, aan te brengen en in stand te houden is dan gebruikelijke koelsystemen. Het systeem maakt het eveneens mogelijk de aërodynamische doelmatigheid van voertuigen te vergroten door het in aanzienlijke mate 10 verminderen of wegnemen van de weerstand van een inlaat voor koellucht.

Achtergrond van de stand der techniek Effect van temperatuur op motorprestatie

Het is algemeen bekend dat het rendement van de inwendige verbran-15 dingsmotor in aanzienlijke mate beïnvloed wordt door de temperatuur.

Daarom kan een belangrijke wijziging in het koelsysteem van de motor een eerste orde-effect hebben op de motorprestaties. In het algemeen zijn verbrandingsmotoren, hetzij diesel hetzij met vonkontsteking werkend, "thermische motoren" en deze werken meer doelmatig indien zij 20 warm zijn. Dienovereenkomstig wordt bij hede ten dage gebruikelijke ontwerpen getracht om te voorzien in het bereiken van temperaturen van de wanden van de cilinderboringen op een zo hoog mogelijk niveau als mogelijk is. Vanwege deze reden werken heden ten dage gebruikte vloei-stofkoelsystemen onder druk. De druk doet het kookpunt van de vloeistof 25 toenemen en dienovereenkomstig kan het koelmiddel bij enigszins hogere temperaturen werken zonder "over te koken".

Bij gebruikelijke koelsystemen bestaat echter een nadeel als gevolg van de hoge temperaturen van de cilinderboring, namelijk dat de temperaturen bij de cilinderkop eveneens toenemen. Dit neigt vooront-30 steking van de brandstoflading te veroorzaken, die door de meeste be-stuurdèrs als "kloppen" onderkend wordt alsmede plaatselijke schade door warmte zoals scheuren in het metaal. Een verder inzicht in het temperatuurseffect wordt verkregen uit de beschouwing van wat gebeurt met de energie van de brandstof toegevoerd aan de motor van een automo-35 biel. Deze verdeling is ongeveer als volgt: uitwerpen van warmte in het uitlaatgas - 33% uitwerpen van warmte bij het koelen van de motor - 29% geïndiceerde vermogen - 38%

Het geïndiceerde vermogen wordt gedeeltelijk verbruikt door het 40 pompen van gassen in, door en uit de verbrandingskamers en uit de uit- 8320385 2

V

laatpijp (6% van de totale energie invoer), wrijving van de zuigerveren (3%), en andere wrijving van de motor (4%), waardoor een remvermogen van de motor van 25% van de ingebrachte energie overblijft. In het geval van automobielen wordt gedurende verreweg het grootste deel van het 5 gebruik van inwendige verbrandingsmotoren, slechts ongeveer de helft van het remvermogen uiteindelijk gebruikt om het automobiel te bewegen. De andere helft gaat verloren met "free wheelen", stationair draaien en remmen, met wrijving in de aandrijftrein en andere verliezen en met het aandrijven van accessoires. Ongeveer de helft van de energie aan de 10 wielen wordt gebruikt om aërodynamische wrijving te overwinnen en de rest voor wrijving van de banden en hysteresis.

De motortemperatuur heeft op verschillende wijze invloed op het uitwerpen van koelwarmte van de cilinders en het rendement van de ter-modynamische kringloop. De motortemperatuur beïnvloed eveneens wrij-15 vingverliezen. Het vereiste bij gebruikelijk voertuigen van een radiator gekoeld door een stroom omgevingslucht doet aërodynamische wrijving toenemen ten opzichte van de doelmatiger carrosserievormen die gebruikt zouden kunnen worden indien de inlaat voor koellucht voor de radiator weggelaten zou worden.

20 Elementaire vereisten voor het koelen van de motor

Het primaire doeleinde van een koelsysteem voor een motor is de motor tussen minimum en maximum temperatuursgrenzen te houden onder verschillende belastingen en omstandigheden van de omgeving.

Het verbrandingsproces in een motor veroorzaakt buitengewoon hoge 25 temperaturen rond de ontstekingsgebieden van het mengsel, normaliter in het bovendeel van de verbrandingskamer bij zuigermotoren, en uitlaat-klepzitting en oppervlakken van de poort. Buitensporige temperaturen in deze gebieden veroorzaken oppervlakte ontsteking, leiden tot het kloppen van de motor, mechanisch falen van materialen van de motor en toe-30 name in emissies van HC (koolwaterstoffen) en Ν0χ (stikstofoxiden).

Het buitensporig koelen van de motor heeft een negatieve invloed op het brandstofverbruik, uitlaatemissies van HC en CO, neerslagen en de rijd-baarheid van het voertuig. Temperatuursverschillen in de motor veroorzaken thermische vervorming en spanning, hetgeen tot motorslijtage, 35 lekkage en falen leidt. Het ideale koelsysteem houdt daarom deze factoren in evenwicht teneinde een temperatuur te handhaven die hoog genoeg is om brandstofeconomie te bevorderen, emissie te beperken, rijd-baarheid te handhaven en en laag genoeg is om voorontsteking en mechanisch falen te voorkomen en gelijkmatig genoeg is om thermische vervor-40 ming en de daaruit ontstane problemen te vermijden.

8320385 «*· - 3

Naast de koelvereisten voor een motor die onder gelijkmatige omstandigheden werkt, zoals hierboven beschreven, worden aan een koelsysteem verdere vereisten gesteld die het gecompliceerder maken. De temperatuur van de motor heeft een neiging toe te nemen met de toename in 5 motorbelasting. Deze toename van de belasting kan veroorzaakt worden door toenemende snelheid, veranderingen in de helling van de weg, extra gewicht in het voertuig, of door vele andere oorzaken. Bovendien heeft toename in de omgevingstemperatuur een negatief effect op de motortenr-peratuur, aangezien het temperatuurverschil tussen de motor en de koel-10 lucht verminderd wordt. Vanwege alle bovengenoemde redenen is een koelsysteem, dat een gelijkmatige temperatuur, ondanks variërende motorbe-lastingen en omstandigheden met betrekking tot de omgeving, kan handhaven het doel van het ontwerp.

Soorten koelsystemen 15 De overdracht van warmte door straling en convectie van de ver brandingsgassen naar de wanden van de verbrandingskamer, de overdracht van geleidingswarmte door de wanden van de verbrandingskamer naar andere delen van de motor en het warmte overdrachtsoppervlak tussen het metaal van de motor en het koelsysteem zijn alle variabelen bepaald door 20 het ontwerp van de motor. Als zodanig liggen deze factoren buiten de invloed van het ontwerp van het koelsysteem, en worden aangenomen gelijkblijvend te zijn voor vergelijkingsdoeleinden van verschillende soorten koelsystemen.

Luchtkoelsystemen 25 Door de geringe omvang van de warmte-overdrachtscoëfficient van lucht, is een grote hoeveelheid lucht, die over het warmte-overdrachts-oppervlak stroomt, vereist om temperatuur in een motor te verminderen. Deze wijze van koelen is in het algemeen in een automobielmotor onbevredigend door de aanzienlijke variaties in omstandigheden met betrek-30 king tot de omgeving, bijvoorbeeld omgevingstemperatuur en voertuigsnelheid, en motorsnelheid en de moeilijkheid enige beheersing van de motortemperatuur te handhaven. Wanneer de voertuigsnelheid toeneemt neemt de hoeveelheid lucht die over de motor stroomt eveneens toe, en wanneer de snelheid van het voertuig afneemt of het voertuig stopt, 35 neemt de hoeveelheid lucht, zelfs indien vergroot door een grotere waaier, en dien tengevolge het koeleffect, af. Bovendien vormen van ribben voorziene gebieden plaatselijke warme punten tussen raakpunten van ribben en boring. Het is moeilijk om de motortemperatuur binnen de vereiste grenzen te houden waardoor deze koelmethode niet doelmatig is 40 voor oppervlaktevoertuigen. Omdat de luchttemperaturen op grotere hoog- 8320385 - 4 tes zeer laag zijn is luchtkoeling in het algemeen bevredigend voor vliegtuigen, hoewel door het met vloeistof koelen van vliegtuigmotoren voordelen verkregen worden.

Vloeistofkoelsystemen 5 Het vloeistofkoelsysteem is het systeem dat het meest algemeen ge bruikt wordt om de temperatuur in inwendig verbrandingsmotoren te regelen. Gebruikelijke vloeistofkoelsystemen staan onder druk, met gedwongen circulatie van een vloeibaar koelmiddel door middel van een door de motor aangedreven pomp. Bij het systeem met gesloten kringloop 10 circuleert het vloeibare koelmiddel tussen de watermantel van de motor, waar warmte uit de verbrandingskamer overgedragen wordt aan het koelmiddel en een radiator, waar warmte opgenomen door het koelmiddel in de motor overgedragen wordt aan lucht die door de radiator stroomt. Een drukontlastingsafsluiter in de vuldop van de radiator is op een druk 15 ingesteld die hoog genoeg is om het kookpunt van het koelmiddel te doen toenemen, waardoor belet wordt dat het koelmiddel ontsnapt bij het normale bereik van de werktemperaturen van de motor.

Om de opwarmtijd van de motor te verminderen, is een thermostatische afsluiter aangebracht bij de uitlaat van de watermantel van de 20 motor. De thermostatische afsluiter opent uitsluitend indien de temper· ratuur een bepaalde waarde te boven gaat. Bij koeltemperaturen onder de vooraf ingestelde waarde van de thermostatische afsluiter, kan weinig of geen koelmiddel naar of van de motor stromen, zodat de temperatuur van het verhoudingsgewijs kleine deel van de totale hoeveelheid koel-25 middel die opgesloten is in de mantel van de motor snel zal stijgen, en de motor sneller na een koude start doelmatiger kan werken.

Hoewel gebruikelijke onder druk staande koelsystemen met een zich in een enkele fase bevindende vloeistof betrouwbaar zijn en verhoudingsgewijs weinig onderhoud vereisen hebben deze verschillende aan het 30 stelsel eigen zijnde nadelen. De coëfficiënt voor het aan het oppervlak overdragen van warmte door convectie van een fluïdum in de vloeistof-fase is verhoudingsgewijs gering en wisselt met de stroomsnelheid. In het typische koelsysteem van een automobiel, treedt gekoelde vloeistof uit de radiator de watermantel van een motor binnen bij de beneden 35 voorkant van de motor en verlaat verwarmde vloeistof de bovenkant van de motor. Daarom zullen de voorste cilinders bij lagere temperatuur werken dan de achterste cilinders. Het is eveneens moeilijk om een gelijkmatige stroomsnelheid van het vloeibare koelmiddel door de complexe stroomdoorgangen binnen de koelmantel te handhaven, zodat plaatselijk 40 warme plaatsen in de gehele motor ontstaan. Verondersteld wordt dat 8320385 *. 5 deze warme plaatsen bijdragen aan de vorming van stikstofoxiden in de uitlaatgassen van de motor.

Aangezien de hoogste temperaturen opgewekt worden in de verbran-dingskamers bij de bovenkant van de cilinders, en aangezien de stroom 5 koelmiddel in hoofdzaak naar boven door de motor plaatsvindt, is het bovendeel van elke cilinder veel warmer dan het benedendeel. Dit temperatuursverschil van de bovenkant naar de onderkant van de cilinder veroorzaakt thermische vervorming van het motorblok en cilinderkop met als gevolg daarvan toenemend langsblazen en olieverbruik. Een ander pror-10 bleem veroorzaakt door temperatuursverschillen tussen de bovenkant en onderkant is dat van het afschrikken van de wand, hetgeen een niet verbrande laag gassen op de verhoudingsgewijs koelere benedencilinderban-den voortbrengt. Dit is een bron van buitensporige aanwezigheid van koolmonoxide en niet verbrande koolwaterstoffen in de uitlaatgassen.

15 Dit heeft eveneens een geringe brandstofrendement tot gevolg. Bovendien zijn vloeistofsystemen zeer gevoelig voor veranderingen in omgevingstemperatuur en wel in een recht evenredige omvang.

Met verdamping werkende koelsystemen

Met verdamping werkende koeling (eveneens als kokend vloeistof 20 koelen bekend) van inwendige verbrandingsmotoren is ten minste zeventig jaar bekend en is het onderwerp geweest van verschillende pogingen gedurende die jaren om een systeem te ontwikkelen dat aan de vele funk-tionele vereisten voor koelsystemen voor motoren voldoet op een betrouwbare, doelmatige, weinig kostbare en praktische wijze. Ondanks 25 deze pogingen heeft koelen met kokende vloeistof werkelijk geen commerciële toepassing gehad. Bepaalde auto's met koelsystemen met kokende vloeistof zijn in de twintiger jaren gebouwd en koelen met kokende vloeistof is in zekere omvang gebruikt bij stationaire motoren, zoals die gebruikt in de boorindustrie, gedurende de laatste 25 jaar. Niette-30 min bestaan er enkele algemeen onderkende voordelen voor het koelen met kokende vloeistof.

Eén van de voordelen van een koelsysteem met kokende vloeistof is dat de warmteoverdrachtscoëfficiënten voor convectie bij het verdampen en condenseren van het koelmiddel een orde grootte aanzienlijker zijn 35 dan de coëffeciënt voor het toenemen van de temperatuur van een circulerend vloeibaar koelmiddel zonder koken. Daarom neigt de temperatuur van het koelmiddel in een met verdamping werkend systeem werkelijk in alle delen van de motor hetzelfde te zijn.

In typische kokende koelsystemen, wordt vloeibaar koelmiddel aan 40 het koken gebracht binnen de koelmantel van de motor, en wordt het ver- 8320385 6 dampte koelmiddel aan het bovendeel van de koelmantel onttrokken en naar een luchtgekoelde radiator of condensor geleid, hetzij rechtstreeks hetzij door een scheidingsvat dampr-vloeistof. Het condensaat verzamelt zich in een bak verbonden met de onderkant van de condensor 5 en wordt teruggevoerd naar de inlaat van de koelmantel van de motor of aan een toevoertank toegevoerd voor met zwaartekracht werkende stroming naar de motor.

Aangezien het koken bij een gelijkblijvende temperatuur plaatsvindt (een gelijkblijvende druk aangenomen), en aangezien de warmte-10 overdrachtcoëfficiënt voor convectie aan het oppervlak voor fluïda die omgezet worden naar de damptoestand aanzienlijk groter zijn dan die voor dezelfde fluïda die in de vloeistoftoestand gehouden worden, kunnen koelsystemen die met kokende vloeistof werkende cilinderwandtempe-raturen van boven naar beneden in aanzienlijker mate nagenoeg constant 15 houden. Bovendien zal de gehele cilinderwand normaliter warmer zijn, waardoor het voortbrengen van koolmonoxide en het niet verbrande koolwaterstoffen in de uitlaatgassen beperkt wordt, wrijving verminderd wordt en het nuttig gebruik van brandstof toeneemt.

Er bestaan echter verscheidene nadelen met betrekking tot de ge-20 bruikelijk onder druk staande met verdamping werkende koelsystemen. Een aan het systeem eigen zijnd belangrijkste probleem is het verlies van toevoer van koelmiddel in die systemen door verlies van damp door be-luchtingsorganen of drukontlastingsafsluiters en er bestaat een groter gevaar van aanzienlijke druklekken in het systeem. Vele dampkoelsyste-25 men brengen een overmatige hoeveelheid damp voort teneinde de motor op het gewenste temperatuursniveau te houden (100-116°C, 212-240°F). In een hoge druk systeem kan de condensor indien damp terug gecondenseerd wordt naar een vloeibare toestand, de fluïdumstroom belemmeren, waardoor tegendruk en opbouw van damp ontstaat in de koelmantel van de mo-30 tor. Deze tegendruk verplaatst het vloeibare koelmiddel in de koelmantel van de motor met damp en draagt aan het falen van de motor bij door het verlies van koeling in het gebied waar damp het zich in de vloeistof fase bevindende koelmiddel vervangen heeft. Een verder probleem met de meeste eerdere systemen is de behoefte aan waaiers voor de condensor 35 en circulatiepompen, hetzij mechanische hetzij elektrische. Het is vanwege deze en andere problemen dat bekende met damp werkende koelsystemen sinds de begindagen van het automobiel niet commercieel gebruikt zijn in koelsystemen voor automobielmotoren en weinig gebruikt zijn op andere gebieden.

40 Bijzondere publicaties betreffende de stand der techniek 8320385 7

Er bestaat natuurlijk een aanzienlijke hoeveelheid octrooischrif-ten, technische en ter visie gelegde literatuur over het onderwerp van het met kokende vloeistof koelen van inwendige verbrandingsmotoren. Van enkele van deze documenten is een korte bespreking hier gerechtvaar-5 digd, omdat bepaalde van de uitvoeringen volgens de onderhavige uitvinding bepaalde concepten die daarin gevonden worden, kunnen gebruiken.

Een dergelijk concept is het gebruik van een condensor, waarvan het condensatie-oppervlak gevormd wordt door een uitwendige huidpaneel van een voertuig. Dit idee is voor gebruik in automobielen voorgesteld 10 in het Amerikaanse octrooischrift 1.806.382, van Barlow van 19 mei 1931 en voor gebruik bij vliegtuigen door Lynn c.s. in het Amerikaanse octrooischrift 1.860.258. In het octrooischrift ten name van Barlow wordt eveneens het voordeel van een dergelijke condensor beschreven bestaande uit het vervallen van de behoefte aan een waaier voor het bla-15 zen van koellucht door een buiscondensor en het in staat zijn om in een kap over het motorcompartiment te voorzien die het binnendringen van stof vermindert en het vrijkomen van rook die terugbeweegt naar passa-gierscompartiment beperkt.

Een ander kenmerk dat nuttig is bij de onderhavige uitvinding is 20 dat de condensor op een niveau boven de koelmantel van de motor geplaatst wordt en dat het gecondenseerde koelmiddel door zwaartekracht naar de mantel teruggebracht wordt. Dit maakt de behoefte aan een pomp overbodig. Hoger liggende condensors met door zwaartekracht terugkeren van het condensaat naar de motor zijn voorgesteld in het octrooischrift 25 van Barlow en in het Amerikaanse octrooischrift 3.082.753 van Bullard. Het principiële gebrek van systemen volgens de stand der techniek

Verondersteld wordt dat er een principieel en fataal gebrek bij alle eerder voorgestelde kokende vloeistofsystemen bestaat, namelijk dat een belangrijk deel van het koelmiddel in de koelmantel van de ci-30 linderkop zich gedurende het grootste deel van de bedrijfsomstandigheden van de motor anders dan opwarmen in de dampfase bevindt. In het algemeen ontvangt het koelmiddel in de mantel van de cilinderkop van de motor de damp opgewekt uit het koelmiddel in het blok. Indien damp uit het blok gecombineerd wordt met de grote hoeveelheid damp opgewekt in 35 de kop, in het bijzonder om de uitlaatpoorten en nabij de koepel van de verbrandingskamer, is de totale dampinhoud van de koelmantel van de cilinderkop zo groot dat onvoldoende vloeibaar koelmiddel aanwezig is op plaatsen waar daaraan de meeste behoefte ontstaat om warmte door verdampen te onttrekken en ontstaan warme plaatsen welke aanwezig blijven 40 in de koepel van de verbrandingskamer. De damp in de cilinderkop heeft 8320385 8 een zeer gering vermogen meer warmte te ontvangen, en dampzakken neigen te ontstaan nabij de warmste plaatsen waar deze het meest schadelijk zijn voor werkzame warmte-overdracht.

Het probleem van de aanwezigheid van een overmatige hoeveelheid 5 koelende damp in de koelmantel van de cilinderkop kan bijzondere nadelen tot gevolg hebben in nauwe delen van de mantel, zoals boven de uit-laatpoorten en de openingen waar de mantel van het cilinderblok in verbinding staat met de mantel van de cilinderkop. Zelfs kleine uitsteeksels op de wanden van de mantel kunnen in deze nauwe doorgangen de 10 stroming vloeibaar koelmiddel afbuigen en in een plaats voor een dampr-zak voorzien waar een warme plaats kan ontstaan en zich kan handhaven. Deze dampzakken neigen zelf de stroom vloeibaar koelmiddel te blokkeren of om te leggen. Daarom werkt de motor een aanzienlijk deel van de tijd met een wezenlijk deel damp in de koelmantel van de cilinderkop en met 15 onvoldoende koelmiddel in de vloeistoffase voor het gepast overdragen van warmte.

Het feit dat de meeste voorgestelde in het verleden gebruikte koelsystemen met kokende vloeistof een wild kokend uitstromen produkt uit de kop hebben voortgebracht, zodat veel vloeibaar koelmiddel wegge-20 dreven wordt met de damp en een damp-vloeistofscheiding vereist is, suggereert in aanzienlijke mate de aanwezigheid van een overmatige hoeveelheid damp. Meer in het bijzonder is voorontsteking (kloppen), die zonder twijfel veroorzaakt wordt door warme plaatsen, een aanzienlijk probleem in met damp gekoelde motoren - voorontsteking vermindert het 25 rendement en kan ernstige schade aan en het uiteindelijk falen van de motor veroorzaken. Dit vereist uiteindelijk een verlaten van de verloop van de ontstekingsvonk (vervroeging) voor correctie, hetgeen een vermindering van nuttig gebruik van brandstof tot gevolg heeft. De warme plaasten veroorzaken ook aanzienlijke thermische spanningen, die tot 30 scheuren van de kop leiden.

Beschrijving van de uitvinding

Volgens de onderhavige uitvinding is in een oplossing van het probleem van buitensporige hoeveelheden koelende damp in de cilinderkop van de motor voorzien, welke oplossing verschillende aspecten heeft en 35 in verschillende uitvoeringen toepasbaar is. Bovendien maakt de uitvinding het mogelijk niet alleen de erkende voordelen van het koelen met kokende vloeistof te verwezenlijken maar heeft eveneens extra voordelen en onverwachte gevolgen.

In het bijzonder omvat de onderhavige uitvinding een koelproces 40 voor een motor, die gekenmerkt wordt doordat het koelmiddel in vloei- 8320385 9 bare toestand in hoofdzaak vrij van damp aan de koelmantel van de ci-linderkop toegevoerd wordt, zodanig dat onder alle werkomstandigheden van de motor het belangrijkste deel van de koelmantel van de kop gevuld blijft met koelmiddel in vloeibare toestand. De werkwijze kan op de 5 volgende wijzen uitgevoerd worden: 1) Het bij de werkwijze gebruikte koelmiddel heeft een verzadi-gingstemperatuur boven de hoogste temperatuur bereikt door de wanden van de koelmiddelmantel van het motorblok. Op deze wijze wordt de werkwijze uitgevoerd door de aan het koelmiddel eigen zijnde fysieke eigen- 10 schap. Het koelmiddel kan alleen in de kop verdampen, daarom kan het van de koelmantel van het blok toegevoerd worden aan de koelmantel van de kop en zal de koelmantel van de kop in vloeibare toestand binnentreden. Passende koelmiddelen zijn niet waterige organische vloeistoffen met een hoog molecuulgewicht en met een verzadigingstemperatuur hoger 15 dan ongeveer 132°C (270°F) bij de werkdruk van de werkwijze, waarbij als voorbeelden genoemd worden etheenglycol, propeenglycol, tetrahydro-fufurylalcohol, dipropeenglycol en 2,2,4-trimethyl-l,3-pentaandiol mo-noïsobutyraat.

2) Het koelmiddel wordt uitsluitend aan de koelmantel van de kop 20 toegevoerd rechtsstreeks uit een condensor voor damp die het koelmiddel ontladen in damptoestand uit de motor ontvangt en condenseert. Op deze wijze is de koelmantel van de cilinderkop hetzij gescheiden van (staat niet in verbinding met) de koelmantel van het cilinderblok of de motor heeft geen koelmantel voor het cilinderblok.

25 3) Zoals in geval 2 hierboven wordt een vloeibaar koelmiddel rechtstreeks toegevoerd aan de mantel van de cilinderkop uit uitsluitend een condensorkamer. De koelmantel van het cilinderblok ontvangt gescheiden een vloeibaar koelmiddel gecondenseerd in dezelfde condensorkamer uit zich in damptoestand bevindend koelmiddel opgewekt in de 30 mantels van het blok en de kop.

4) Eveneens als in de bovengenoemde gevallen 2 en 3, wordt aanvullend koelmiddel direkt toegevoerd aan de mantel van de cilinderkop, maar in dit geval als koelend condensaat uit een condensorkamer die uitsluitend damp uit de koelmantel van de cilinderkop ontvangt. Damp 35 uit de koelmantel van het blok wordt naar een tweede condensorkamer geleid, en het condensaat wordt teruggevoerd uit de tweede condensorkamer naar de koelmantel van het blok. In het kort bestaan twee koelkringlo-pen met damp, éên voor het blok en één voor het de kop.

Bij alle wijzen van het uitvoeren van de onderhavige uitvinding 40 moet de verzadigingstemperatuur in het algemeen zo hoog als uitvoerbaar 8320385 10 zijn, waarbij rekening gehouden moet worden met het vermijden van ongewenste omstandigheden die bijvoorbeeld betrekking hebben op de duurzaamheid van de motor en onderdelen van het voertuig nabij de motor, de werkzaamheid en de levensduur van het smeermiddel van de motor en mo-5 torprestatie, zoals instabiliteit van het vlamfront en vertraging van ontsteking, en redelijke instelling van ontsteking, voorontsteking en detonatie ("kloppen"), buitensporige emissies en verminderde werkzaamheid. In het algemeen zal hoe hoger de verzadigingstemperatuur van het koelmiddel is tot aan de grens bepaald door voorgenoemde factoren en 10 waarschijnlijk mede door andere factoren, hoe hoger de totale temperatuur van de motor zal zijn en hoe geringer het niveau van het uitwerpen van warmte zal zijn. Daarom zal het rendement van de motor groter zijn. Natuurlijk moet onderkend worden dat verschillende motorontwerpen op verschillende wijze op verschilllende koelmiddelen kunnen reageren en 15 verschillende gevolgen zijn zeker mogelijk, zo niet waarschijnlijk, bij het uitkiezen van een koelmiddel. Dieselmotoren kennen bijvoorbeeld geen voorontsteking zoals met vonkontsteking werkende motoren en daarom kan een dieselmotor voorzien van een koelsysteem volgens de werkwijze van de onderhavige uitvinding een koelmiddel gebruiken met een verza-20 digingstemperatuur die hoger ligt dan bij koelmiddel geschikt voor met vonkontsteking werkende motoren.

Zoals hierboven kort besproken is wordt verondersteld dat er een tot nu tot niet onderkend principieel en fataal gebrek bestaat bij koelsystemen met kokende vloeistof voor inwendige verbrandingsmotoren, 25 namelijk teveel koelende damp en niet genoeg koelende vloeistof in de koelmantel van de kop. Het koelmiddel dat algemeen voorgesteld en gebruikt is in de stelsels volgens de stand der techniek is water. Zelfs indien een antivriesmiddel met hoog kookpunt gemengd wordt met het uit water bestaande koelmiddel ligt de verzadigingstemperatuur van het 30 koelmiddel in het bereik tussen 104°C en 116°C (220°F en 240°F), afhankelijk van de druk van het stelsel. Waargenomen is dat de temperatuur van het koelmiddel voor het blok 16°C tot 28°C (30°F tot 50°F) hoger zouden zijn dan dit bereik indien de warmte uitgeworpen door het blok niet in de koelmiddelmantel met water opgenomen zou worden. De warmte 35 die uitgeworpen wordt in dit gebied veroorzaakt het voortdurend omzetten van het vloeibare koelmiddel in damp. De zo gevormde damp stijgt binnen het ommantelde volume om het blok en treedt dan de koelmantel van de cilinderkop binnen, blijft naar boven gaan totdat het uiteindelijk uit de bovenkant van de mantel van de cilinderkop ontwijkt. In de 40 mate waarin deze damp voortdurend volume binnen de mantel van de cilin- 8320385 11 derkop inneemt, wordt vloeibaar koelmiddel verplaatst. Onder bepaalde bedrijfsomstandigheden bevat de mantel van de cilinderkop een en voldoende verhouding vloeistof damp op belangrijke gebieden, en is het koelen in deze gebieden onvoldoende.

5 Bij de eerste wijze van uitvoeren van de onderhavige uitvinding die hierboven kort beschreven is, bevindt het koelmiddel toegevoerd aan de koelmantel van de cilinderkop zich in de vloeistoftoestand omdat de verzadigingstemperatuur hoger is dan de maximumtemperatuur van de wanden van de koelmantel van het blok. Prototypen van koelsystemen volgens 10 de onderhavige uitvinding hebben aangetoond dat de temperatuur dichtbij een cilinderwand bij volle belasting 121°C (250°F) is, op het punt in het midden van de slag en ongeveer 132°C (270°F) is en bij het bovenste punt van de slag wanneer de motor loopt met het koelmiddel dat zich in vloeibare fase bevindt bij 149°C (300°F) ligt. Bijgevolg verlaat het 15 koelmiddel de mantel van het blok en treedt de mantel van de kop in hoofdzaak in vloeibare toestand binnen.

Naast het beperken van het probleem van buitensporige hoeveelheid damp in de kop eenvoudig omdat geen damp de kop uit het blok binnentreedt, zijn er andere weldadige gevolgen voortvloeiende uit het ge-20 bruik van een koelmiddel met een verzadigingstemperatuur die hoger is dan de temperatuur van de koelmantel in het blok. Teneerste zijn de ci-linderwanden warmer dan bij waterkoeling (hetzij zich in vloeistoffase bevindend water hetzij kokend water), waardoor in een vollediger verbranding van de brandstof voorzien wordt door het verminderen van af-25 schrikken (het blussen van de vlam nabij de koele wanden van de cilinder tijdens de vermogenslag). De warmere wanden betekenen eveneens dat minder warmte uitgeworpen wordt en een groter thermisch rendement alsmede een vermindering van wrijving door de verminderde olieviscositeit bestaat. De boring heeft een meer gelijkmatige diameter vanaf de boven-30 kant naar de onderkant en een meer gelijkmatige rondheid, waardoor langs blazen en slijtage van de zuigerveergroeven, de cilinderwanden en de zuigerveren vermeden wordt. De wandtemperatuur blijft wezenlijk boven het dauwpunt van waterdamp in de verbrandingsgassen, zodat geen wa-tercondensatie op de cilinderwanden optreedt, welk water in de olie 35 kan geraken en slib en zuren kan vormen.

Het gevolg van het laten stijgen van de oppervlaktetemperatuur van de cilinderwand heeft verschillende onderling samenhangende gevolgen op het moment van ontsteking, vlamsnelheid en vereist octaangetal. Normaliter vereisen verhoogde motortemperaturen in gebruikelijke met pompen 40 werkende vloeistof gekoelde motoren brandstof met een hoog octaangetal.

8320385 12

Het omgekeerde is echter het feit met de uitvinding. De warmere cilin-derwandoppervlakken neigen de ontstekingsvertraging te verminderen (alsmede het cylische variatievermogen van de ontstekingsvertraging), hetgeen op merkbare wijze de tijd vermindert vereist voor de maximum 5 verbrandingsdruk die na de ontsteking bereikt moet worden. De koelere cilinderkopoppervlakken vullen dit aan door "warme plaatsen" te vermin*· deren. Daarom tolereren motoren met koelstelsels volgens de uitvinding aanzienlijk meer vervroeging van de vonk bij lage toeren maar vereisen wezenlijk minder totale vervroeging van de vonk bij hoge toeren dan bij 10 gebruikelijk gekoelde motoren.

Indien het ontstekingstijdstip passend ingesteld is worden de vereisten met betrekking tot het octaangetal van een motor gekoeld volgens de uitvinding wezenlijk verminderd. Hoewel het zich bij het cilinder-einde bevindende gas een hogere temperatuur heeft, doet de hogere vlam-15 snelheid gecombineerd met het buitensluiten van warme plaatsen op het oppervlak van het verbrandingskoepel, hetgeen detonatie veroorzaakt, het vlamfront volledig door de verbrandingskamer gaan voordat het eind-gas een kans heeft vanzelf te ontsteken. Bovendien maakt het merkbaar verminderd cyclisch variabel zijn van de ontstekingsvertraging het mo-20 gelijk dat het bedrijf van de motor dichter bij de klopgrens kan liggen zonder het soms ontstaan van kloppen door langzaam verbranden of ontstekingsvertraging .

Vloeibare brandstof zal niet branden. Het is daarom duidelijk dat, aangezien brandstof in vloeibare druppelvorm in de motor ingebracht 25 wordt, de brandstof verneveld moet worden in de baan daarvan door het venturi van het inlaatspruitstuk, inlaatpoorten, kleppen, tijdens de inlaatslag, compressieslag en zelfs tijdens de verbranding. Het is gebruikelijk dat een aanzienlijk deel van de brandstof tot het tijdstip van ontsteking in vloeistofvorm blijft.

30 Dit veroorzaakt drie problemen: ten eerste is het brandbare meng sel dat zich in gasfase bevindt armer dan de totale verhouding lucht brandstof die door het brandstofsysteem toegevoerd was, hetgeen de vlamsnelheid en temperatuur verlaagt. Ten tweede wordt de warmte vereist om die vloeibare brandstof te vernevelen uit de vlam ontnomen, 35 waardoor de snelheid en temperatuur daarvan dalen. Ten derde vindt een deel van deze vloeibare brandstof zijn weg naar de afschriklaag, waardoor de hoeveelheid brandstof die niet verbrand wordt toeneemt. Met de wijze van koelen volgens de onderhavige uitvinding wordt de totale temperatuur van de motorboring (verplaats volume) en van de inlaatkanalen 40 verhoogd, waardoor een vollediger vernevelen van de brandstof bevorderd 8320385 13 wordt voordat de vlam op gang gebracht wordt. Daardoor blijft meer ver-brandingsenergie beschikbaar voor de omzetting in arbeid en minder brandstof aanwezig in de afschriklaag. Een vollediger brandstofverneve-ling in het inlaatspruitstuk leidt tot een betere gelijkmatigheid van 5 de brandstof-luchtverhouding tussen de cilinders. Dit kenmerk maakt het weer mogelijk meer doelmatiger brandstof-luchtmengsel verdelingen te gebruiken, met een meer bevredigende prestatie met wisselende brandstoffen of beide. Meer werkzame verneveling van de brandstof maakt een meer doelmatig rendement van fossiele brandstof mogelijk en is absoluut 10 vereiste indien brandstoffen met alcohol of destillaten met een groot temperatuurtraject als brandstoffen gebruikt worden.

Verbeterde bereiding van het mengsel leidt tot verbeterde rijd-baarheid, hetgeen de bestuurder in staat stelt om het smoororgaan minder agressief te gebruiken en een verminderd brandstofgebruik tot ge-15 volg heeft. Motoren uitgerust met de inrichting volgens de uitvinding hebben een verbetering tussen 10 en 13% van brandstofverbruik bij gestuurde laboratoriumproeven.

Koelen met kokende vloeistof heeft een merkbare afname in niet verbrande koolwaterstoffen en koolmonoxide emissies tot gevolg door zo-20 wel het verlagen van de concentratie brandstof in de afschriklaag als de verminderde dikte van die afschriklaag. De afschriklaag is algemeen bekend in de motortechnologie en wordt beschreven als een laag niet verbrande vloeibare brandstof die ongeveer 0,18 - 0,38 mm (0,007" tot 0,015”) dik is bij het oppervlak van de cilinderwand. De concentratie 25 en de dikte daarvan zijn omgekeerd evenredig met het warmteniveau van de wandtemperatuur en worden aanzienlijk verminderd wanneer de wandtem-peratuur toeneemt. Dit vindt plaats omdat bij lagere temperaturen, ongeveer 82°C tot 93°C (180-200°F), de cilinderwand parasiterend voor de verbrandingsvlam werkt, en genoeg warmte aan de vlam onttrekt (absor-30 beerd) om deze niet bij het wandoppervlak te doen branden. De hogere niveau's van de wandtemperatuur volgens deze uitvinding verminderen deze parasiterende aard van de cilinderwand door de vlam in staat te stellen tot dichter bij de wand te branden en de afschriklaag te beperken. Bovendien is een vermindering in koolmonoxide emissies waargenomen 35 veroorzaakt door de vollediger verbranding en toegenomen brandtijd van de vlam.

Normaliter neigen, wanneer de oppervlaktetemperaturen van een ci-linderkop tot buitensporig niveau's steigen in een motor uitgerust met een gebruikelijk met vloeistof werkend koelsysteem, de emissies van 40 stikstofoxide enigszins toe te nemen met toenemende motortemperaturen 8320385 14 wanneer alle andere variabelen gelijk gehouden worden. Met de onderhavige uitvinding en de toegenomen omvang van koelen (vermogen) van de koelmantel van de cilinderkop achter het oppervlak van de verbrandings-kamer wordt echter een verlagen van de oppervlaktetemperaturen van de 5 verbrandingskamer in de cilinderkop mogelijk, zelfs ondanks dat de totale werktemperatuur van de motor aanzienlijk toeneemt, b.v. 38°C (100°F) of meer. Dit wordt verwezenlijkt doordat de dampverzadiging van het koelmiddel in de mantels van de cilinderkop verminderd is tot een punt waar een voldoende hoeveelheid vloeibaar koelmiddel vrij van damp 10 aanwezig is voor de kritische warmte gebieden van de kop om het toegenomen vermogen van warmte overdracht, uniek voor koelen met koken van vloeistof (de hoge warmte-overdrachtscoëfficiënt daarvan), het mogelijk te maken die kritische gebieden voldoende koel te houden om het verschijnen van warme plaatsen op de oppervlakken van de verbrandingskamer 15 van de cilinderkop te vermijden.

Teneinde de hoeveelheid damp in de koelmantel van de kop te verminderen is het belangrijk om in een uitlaatleiding (of leidingen) voor damp te voorzien van de koelmantel van de kop met een voldoende grote afmeting om het drukverschil tussen de mantel en de condensorkamer laag 20 te houden, bij voorkeur minder dan ongeveer 7 kPa (1 psi). Bovendien moet er op gelet worden dat het mogelijk opsluiten van damp in een hoger liggend gebied van de mantel in enige bedrijfsstand van de motor voorkomen wordt; in voertuigen betekent dit dat rekening gehouden moet worden met het bergopwaarts en bergafwaarts rijden. Twee of meer damp-25 uitlaatleidingen of een verdeelstuk kan bij bepaalde ontwerpen vereist zijn.

Zodra deze warme plaatsen aan het oppervlak (die soms roodgloeiend kunnen zijn) beperkt zijn of achterwege blijven, kunnen de hogere vlam-snelheid, hogere verbrandingstemperaturen en -drukken gemakkelijk door 30 de motor aanvaard worden zonder zelfontsteking (detornatie) en hoge Ν0χ niveau's te veroorzaken en een behoefte te scheppen aan een minder aanzienlijke vervoeging van het verdeelorgaan bij hogere toeren.

Bovendien wordt, omdat de dikte van de afschriklaag en de daarmee samenhangende inhoud ruwe brandstof verminderd zijn en de cilindertem-35 peraturen hoger zijn, een groter deel van de brandstoffraktie van de inlaatlading verbrand, en blijven minder restbrandstofdeeltjes achter om afzetting te vormen. Motoren uitgerust met de onderhavige uitvinding tonen typisch geen koolstofafzettingen na 40.000 km (25.000 mijl) bedrijf. Het achterwege blijven van koolstofafzettingen (die eveneens 40 gloeien) beperkt vroege ontsteking (voorontsteking) en maakt meer opti- 8320385 15 male instelling van de ontsteking mogelijk in het bijzonder een toegenomen vervroeging bij lage toeren.

Door het optimaliseren van de ontstekingsinstelling, lucht-brand-stofverhouding, en hoeveelheid recirculerend uitlaatgas, wordt een ge-5 lijktijdige vermindering van alle drie uitlaatemissies en van brandstofverbruik verwezenlijkt.

Bij dieselmotoren wordt het ontstekingstijdstip bepaald door het inspuiten van de brandstof in de verbrandingskamers. Warme plaatsen op de oppervlakken van de verbrandingskamers zullen, hoewel deze in een 10 gebruikelijk gekoelde dieselmotor bestaan, geen voorontsteking veroorzaken zoals bij een met vonken ontstoken motor. Niettemin kunnen thermische spanningen in cilinderkoppen van dieselmotoren door de aanwezigheid van warme plaatsen schade veroorzaken door werken, scheuren en er-rosie van het materiaal. Deze thermische spanningen worden weggenomen 15 door het buitensluiten van warme plaatsen door gebruik van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding.

Hogere temperaturen van de boring bij dieselmotoren verminderen de vorming van in de uitlaatstroom, terwijl gelijktijdig het rendement van het omzetten van brandstofenergie in bruikbaar vermogen toeneemt. Bij 20 zowel het vonk-ontstoken-als dieselmotoren, brengen de gestegen temperaturen van de boring die het gevolg zijn van de toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding, een groter motorvermogen voort terwijl tegelijkertijd de motoren schoner lopen.

De koelmiddelen met hoog kookpunt die gebruikt worden in overeen-25 stemming met de onderhavige uitvinding hebben een grotere molaire ver-dampingswarmte dan water. Dienovereenkomstig is de hoeveelheid damp voortgebracht in de kop geringer dan bij water indien het overige gelijk is. Dit betekent minder dampmoleculen in de mantel van de cilin-derkop bij een bepaalde omvang van het verwijderen van warmte. Boven-30 dien komt damp gemakkelijker van de warme wanden van de mantel vrij bij een organisch koelmiddel met hoog molecuulgewicht dan bij water. Deze koelmiddelen waar de voorkeur aangegeven wordt hebben een veel lagere oppervlaktespanning. Bijgevolg maken de dampbelletjes zich makkelijker van de wand los, waardoor de weg vrijgemaakt wordt voor zich in de 35 vloeistoffase bevindend koelmiddel om vlak achter de ontsnappende bellen te gaan en de wand te bevochtigen. Bovendien is de warmteoverdracht van een oppervlak dat gekoeld wordt tot vloeistof die omgezet wordt naar damp verscheidene malen groter wanneer de verdamping direkt bij het verwarmingsoppervlak plaatsvindt (koken van de kernen) dan wanneer 40 deze plaatsvindt door een deken vormende laag gas ( koken van een 8320385 16 laag). Uit waarnemingen zou blijken dat vergeleken met water het gebruik van organisch koelmiddelen met hogere verzadigingstemperatuur de toestand van het koken van kernen in plaats van het koken van een laag bevorderd.

5 Bovengenoemde punten komen naast het meer werkzaam koelen van de cilinderkop door de aanwezigheid van een aanzienlijk grotere verhouding vloeistof damp in de mantel van de cilinderkop dan bij koelprocessen met kokende vloeistof volgens de stand der techniek.

Bij een voorkeursuitvoering van een stelsel volgens de uitvinding, 10 is de condensorkamer ontworpen om in een onbelemmerd binnentreden en stromen van de damp als koelmiddel te voorzien, om snelle en doelmatige condensatie te bevorderen en om aangebracht te worden boven de motor om stroming door zwaartekracht van het condensaat naar de motor mogelijk te maken. Bij deze uitvoering van de werkwijze en bij uitvoeringen van 15 de inrichting, waarbij een hoger liggende condensor in van voordeel zijnde omstandigheden voor convectiestroming voor damp en het door zwaartekracht terugkeren van condensaat voorziet, heeft het koelsysteem geen bewegende delen. Het weglaten van een koelmiddelpomp, een waaier om de condensor te koelen, snaren met aandrijvingen, alle thermostaten 20 en een meer kostende warmtewisselaar met buizen, maakt het systeem minder kostbaar dan huidige met pompen werkende vloeistofstelsels en de meeste bekende systemen met kokend koelmiddel.

De condensorkamer kan eveneens onder de uitlaat voor damp aangebracht worden, maar dit zal het gebruik van een retourpomp voor conden-25 saat noodzakelijk maken. Deze uitvoering zal plaatsing van de condensor op best mogelijke wijze aangepast aan een bepaald ontwerp van een voertuig mogelijk maken, bijvoorbeeld achter de bumper van een motorvoertuig of naast de oliepan van een motor. Bij dergelijke toepassingen kan het nadeel van het gebruik van een retourpomp voor condensaat meer dan 30 volledig gecompenseerd worden, doordat daar bijvoorbeeld het optimale gebruik van beschikbare ruimte in het voertuig of verbetering in de aërodynamica van het voertuig tegenover staan. Geen probleem wordt gevormd door de werkwijze van het condenseren van damp als koelmiddel met een hoog moleculair gewicht in een condensor aangebracht op een lager 35 niveau dan het gebied waar de damp voortgebracht is, omdat gasvormige verontreinigingen met laag molecuulgewicht, zoals lucht of waterdamp, verplaatst worden naar een niveau boven de zwaardere damp als het koelmiddel, terwijl de damp door zwaartekracht gemakkelijk naar beneden stroomt. Koelsystemen volgens de stand der techniek hebben daarentegen 40 het probleem dat lucht aanwezig in een condensorkamer aangebracht onder 8320385 17 de uitlaat voor damp, weerstand zal bieden om verplaatst te worden door waterdamp omdat dit een groter molecuulgewicht heeft dan de waterdamp.

De werking van de uitvinding bij omgevingsdruk of bij drukken enigszins boven de omgevingsdruk, bijvoorbeeld 35 kPa (5 psi), waar-5 aan de voorkeur gegeven wordt, maakt een minder kostbaar en gemakkelijker aanbrengen van slangen en slanghulpstukken mogelijk. De kans van lekkage van koelmiddel wordt in een systeem met atmosferische druk of geringe overdruk werkend verminderd, en indien een lek optreedt, is de omvang van het verlies aan koelmiddel zodanig laag, dat het voertuig 10 vele kilometers kan rijden alvorens gerepareerd te moeten worden zonder dat de motortemperatuur toeneemt of schade aan de motor toegebracht wordt. Lekken in de slangen en condensors kunnen gemakkelijk en werkzaam langs de weg of bij een benzinestation tijdelijk gereparareerd worden met band en blijvende reparaties kunnen uitgesteld worden tot 15 een tijdstip dat voor de eigenaar van het voertuig beter uitkomt. Niet in de werkplaats plaatsvindende reparaties aan de condensor kunnen, vanwege de lage bedrijfsdruk daarvan, met een eenvoudige epoxypleister of band met hoge sterkte uitgevoerd worden.

De uitvinding is met groot voordeel bruikbaar bij zuigermotoren 20 met een Ottokringloop met carburateur of brandstofinspuiting, bij dieselmotoren en bij wankelmotoren. Al deze soorten motoren kunnen gebruikt worden op allerlei soorten voertuigen, hetgeen omvat automobielen, vrachtwagens, vliegtuigen, zichzelf aandrijvende railwagens, locomotieven voor de spoorwegen en vaartuigen en bij stationaire toepas-25 singen. Stationaire motoren kunnen het met een waaier koelen van de condensor nodig hebben, indien de ruimte beperkt is of een grote niet met gedreven lucht werkende condensor gebruiken indien ruimtebesparing geen eerste vereiste is.

Voertuigen waarin de onderhavige uitvinding verwezenlijkt is kun-30 nen ontworpen worden met verminderde aërodynamische weerstand, omdat de gebruikelijke radiator gekoeld door de luchtstroom die een deel van het voertuig binnentreedt, vervangen kan worden door een uitwendig paneel van het lichaam. De neus van een automobiel of de bekapping van de motor van een vliegtuig kunnen bijvoorbeeld gesloten worden voor het ver-35 minderen van wrijving waardoor in een betere opbrengst voorzien wordt met dezelfde motor of dezelfde opbrengst verkregen kan worden met een kleinere motor. De condensorkamer in een vliegtuig kan in een oppervlak van de vleugel gebouwd worden, in welk geval deze een deel of de volledige werking van het ontijzen uit kan voeren.

40 Er bestaat regelmatig een oververwarmingsprobleem bij met vloei- 8320385 18 stof gekoelde vliegtuigmotoren, Indien het vliegtuig wacht voor het starten - de radiator heeft geen voldoende koelcapaciteit voor de verhoudingsgewijs hoge grondtemperatuur en verhoudingsgewijs geringe luchtstroom van de propellor tijdens het staan en taxiën. De oppervlak-5 te condensor kan gemakkelijk ontworpen worden om omstandigheden heersend aan de grond aan te kunnen zonder gewichtstoename en een gelijkblijvende motortemperatuur kan gehandhaafd worden wanneer het vliegtuig tot koude omgeving stijgt. In feite voorziet de uitvinding in een ge-wichtsvoordeel, niet alleen bij vliegtuigen maar bij alle voertuigen, 10 omdat de vulling met koelmiddel een veel lager gewicht heeft dan die vereist bij een koelstelsel met vloeistof met vergelijkbaar vermogen.

Er zijn wijzen waar de voorkeur aangegeven wordt voor het uitvoeren van elke wijze van de werkwijze volgens de uitvinding. Zoals hierboven genoemd bestaan er voordelen met betrekking tot het terugbrengen 15 van gecondenseerd koelmiddel naar de koelmantel van de cilinderkop door zwaartekracht uit een dampcondensorkamer, die een uitlaat boven de bovenkant van de koelmantel van de cilinderkop heeft. Behalve het overbodig maken van de pomp verzekert een met zwaartekracht werkend systeem dat geen damp naar de koelmantel teruggebracht zal worden, natuurlijk 20 aangenomen dat de condensor voldoende capaciteit heeft om alle damp die daaraan toegevoerd wordt te condenseren. Bij vele eerder voorgestelde systemen was het mogelijk dat de damp terug kon keren naar de koelmantel met condensaat.

Volgens een ander kenmerk van de onderhavige uitvinding is in een 25 verbetering voorzien in voertuigen, aangedreven door inwendige verbrandingsmotoren die met kokende vloeistof gekoeld worden en welke, zoals bekend in de stand der techniek een oppervlakte condensorkamer hebben, waarvan één condensatie-oppervlak een in hoofdzaak horizontaal gericht naar boven wijzend uitwendig huidpaneel van het voertuig is, dat ge-30 plaatst is op een niveau boven de motor in alle normale standen van het voertuig tijdens bedrijf. De uitvinding wordt gekenmerkt doordat het koelmiddel een organische vloeistof met hoog molecuulgewicht is met een verzadigingstemperatuur bij atmosferische druk van niet minder dan ongeveer 132°C (270°F), en een oppervlaktespanning bij een temperatuur 35 van 15°C (59°F) van minder dan ongeveer 70 dyne per cm. Voor voorbeelden van dergelijke koelmiddelen wordt naar hierboven verwezen.

Een uitvoering van de uitvinding wordt verder gekenmerkt doordat er gescheiden koelmantels aanwezig zijn voor het cilinderblok van de motor en de cilinderkop van de motor en dat twee circulatiescircuits 40 voor koelmiddel aanwezig zijn, één tussen de koelmantel van het cilin- 8320385 19 derblok en de condensorkamer en één tussen de koelmantel van de cilin-derkop en de condensorkamer.

Een andere uitvoering van de uitvinding wordt gekenmerkt doordat een tweede oppervlaktecondensorkamer aanwezig is, met condensatie-opr-5 pervlakken die een uitwendig huidpaneel van een voertuig omvatten, dat op een niveau boven de motor aangebracht is bij alle normale hoogten van het voertuig tijdens bedrijf. Er zijn verscheidene koelmantels voor het cilinderblok en de cilinderkop van de motor, en er zijn gescheiden circulatiecircuits voor koelmiddel, één tussen de eerste condensorkamer 10 en de koelmantel van het blok en één tussen de tweede condensorkamer en de koelmantel van de kop.

Een verdere uitvoering wordt gekenmerkt doordat geen koelmantel in het motorblok aanwezig is en dat de inlaat- en uitlaatleidingen beide tussen de condensorkamer en de koelmantel van de cilinderkop aange-15 bracht en daarmee verbonden zijn.

Beschrijving van de tekeningen

Fig. 1 is een schematisch eindaanzicht in dwarsdoorsnede van een zuigermotor voorzien van een uitvoering van het koelsysteem volgens de onderhavige uitvinding; 20 fig. 2 is een schematisch eindaanzicht in dwarsdoorsnede van een zuigermotor voorzien van een andere uitvoering van de onderhavige uitvinding; fig. 3 is een eindaanzicht in dwarsdoorsnede in schematische vorm van een zuigermotor voorzien van een derde uitvoering volgens de onder-25 havige uitvinding; fig. 4 is een eindaanzicht in dwarsdoorsnede in schematische vorm van een zuigermotor voorzien van een vierde uitvoering van de uitvinding; fig. 5 is een eindaanzicht in dwarsdoorsnede in schematische vorm 30 van een wankelmotor met een koelsysteem met kokende vloeistof dat de onderhavige uitvinding belichaamt; fig. 6 is een schematisch zijaanzicht van het vooreinde van een automobiel uitgerust met het koelsysteem; en fig. 7 is een schematisch zijaanzicht van het vooreinde van een 35 vliegtuig uitgerust met het koelsysteem.

8320385 20

Wijzen voor het uitvoeren van de uitvinding

De schematische figuren in fig. 1 tot en met 4 van zuigermotoren zijn bedoeld om enige zuigermotor volgens de stand der techniek af te beelden welke bijvoorbeeld een benzinemotor met Otto-cyclus of een die-5 selmotor kan zijn. In fig. 1 tot en met 4 worden overeenkomstige belangrijke onderdelen van de motor met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven. Deze basisonderdelen bevatten een oliepan 10, een blok 12 gevormd met êên of meer cilinders 14, waarin de zuigers 16 heen en weer bewegen over een slaglengte gestuurd door een krukas (niet afgebeeld) 10 en een drijfstang 18. Elke cilinder 14 wordt door een koelmantel 20 van het blok omgeven. Een kop 22 is door bouten aan het blok 12 bevestigd en is door een koppakking 24 ten opzichte van het blok afgedicht. De kop 22 van de motor heeft een koelmantel 26 voor de kop. Vanwege de eenvoud zijn de inlaat- en uitlaatafsluiters en de inlaat- en uitlaat-15 kanalen die in de kop aangebracht zijn, niet afgebeeld. Verwijzingscij-fer 28 geeft het klepdeksel aan.

In de uitvoering van de uitvinding afgebeeld in fig. 1 staat de koelmantel 20 van het blok via doorgangen 30 in verbinding met de koelmantel 26 van de kop. Een leiding 32 is verbonden met de bovenkant van 20 de koelmantel 26 van de kop en met een condensorkamer 34, waarvan de bovenwand een paneel 36 is van een materiaal, dat een verhoudingsgewijs aanzienlijk thermisch geleidingsvermogen heeft. Elk metaal is volledig bevredigend en kunststoffen geïmpregneerd met metaalpoeder om thermische geleidbaarheid te verkrijgen, kunnen eveneens gebruikt worden.

25 Deze vorm van warmte-wisselaarkamer heeft voordelen voor gebruik in voertuigen zoals automobielen, vrachtwagens, vliegtuigen, locomotieven en dergelijke, omdat het paneel 36 een uitwendig huidpaneel van het voertuig kan zijn en bijgevolg aan een luchtstroming blootgesteld kan worden wanneer het voertuig beweegt voor het verbeterd afgeven van 30 warmte. De kamer 34 wordt verder begrensd door een panachtigorgaan 38, dat op passende wijze verbonden is met paneel 36 en ten opzichte daarvan afgedicht is. Het panachtige orgaan 38 kan bijvoorbeeld stevig bevestigd worden aan paneel 36 door een kleefmiddel en een gerolde gekrompen rand. Het orgaan 38 moet een aanzienlijk thermisch geleidings-35 vermogen hebben om condensatie van de damp te stimuleren. De pan 38 van de kamer 34 omvat een verzameldeel 40 en een retourleiding 42 voor condensaat gaat vanaf het verzameldeel terug naar het benedendeel van de koelmantel 20 van het blok.

In plaats van een uitlaatleiding voor damp en een gescheiden re-40 tourleiding voor condensaat, kan een enkele leiding, die vanaf de bo- 8320385 21 venkant van de kop naar een laag punt in de condensor gaat aangebracht boven de kop, dienen voor de funkties van zowel het ontladen van damp als het terugbrengen van condensaat. Een dergelijke inrichting is in fig. 6 afgeheeld en wordt hieronder beschreven.

5 De koelmantels 20 en 26 en de leidingen 32 en 42 worden met koel- middel gevuld tot een niveau dat zich op een geringe afstand boven de bovenkant van de koelmantel 26 van de kop bevindt, zoals aangegeven door de gestreepte lijn A in fig. 1. Wanneer de motor opwarmt zet het koelmiddel uit, in het algemeen ongeveer 2 tot 4%, zodat het koelmid-10 delniveau in de opgewarmde motor stijgt tot ongeveer het niveau aangegeven door de gestreepte lijn B. De hoeveelheid koelmiddel vereist voor een koelsysteem dat de onderhavige uitvinding belichaamt, is veel kleiner dan de hoeveelheid vereist in een gepompt koelsysteem met vloeistof, aangezien steeds zeer weinig koelmiddel aanwezig is in de condeir-15 sor. Bij een typische vier-cilindermotor is de vulling koelmiddel ongeveer 3 1/2 maal een 1/4 gallon. Vanwege de verminderde hoeveelheid koelmiddel is er een verminderde massa koelmiddel aanwezig die warmte op kan nemen van de motor tijdens het opwarmen, en de motor warmt snel op. Bovendien gaat het opwarmen geleidelijker dan bij een gepompt sys-20 teem waarbij het koelmiddel zich in de vloeistoffase bevindt, aangezien er geen thermostaat of overeenkomstig element is dat veranderingen in de stroomomvang veroorzaakt, en bijgevolg de temperatuur van het koelmiddel dat teruggevoerd wordt naar de motor uit de radiator, en zo de omvang van het opwarmen neigt te veranderen wanneer de thermostaat 25 opent tijdens de opwarmfase van het bedrijf. Het is algemeen bekend dat de opwarmtijd tijdens het bedrijf van de inwendige verbrandingsmotoren een periode met een gering bedrijfsrendement is welke mechanisch zwaar voor de motor is. Het snelle en geleidelijke opwarmen van de motor mogelijk gemaakt met het koelproces volgens de onderhavige uitvin-30 ding verbetert het rendement van de motor, in het bijzonder bij koud weer, en vermindert slijtage.

Vanaf een koude start, warmt het koelmiddel in de mantel 26 van de kop zeer snel op, bijvoorbeeld in een of twee minuten, afhankelijk van de omstandigheden met betrekking tot de omgeving. Wanneer warmte door 35 de motor afgegeven wordt in het koelsysteem kan de temperatuur van het koelmiddel blijven stijgen tot het kookpunt daarvan bereikt is. Op dit niveau stabiliseert de temperatuur van de motor aangezien de temperatuur van het koelmiddel niet verder kan stijgen. Verdere warmte van de motor die afgegeven wordt in het koelsysteem doet vloeibaar koelmiddel 40 verdampen. De damp wordt door convectie uit het gebied waar deze voort- 8320385 22 gebracht wordt verwijderd, waardoor vloeibaar koelmiddel de eerdere plaatsen daarvan in kan nemen. De warmte aanwezig in het damp vormige koelmiddel wordt afgevoerd door de buitenliggende wanden 36 en 38 van de condensorkamer wanneer de damp terug naar een vloeistof gecondeir-5 seerd wordt.

Door de koelmiddelen met hoge verzadigingstemperatuur, hoog mole-cuulgewicht en een lage oppervlakte spanning, die gebruikt worden bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvindig, ontstaan verscheidene voordelen die werkzaam koelen van de cilinderkop van de motor verzeke-10 ren. Enerzijds verzekert de lage oppervlaktespanning van het koelmiddel dat slechts kleine dampbelletjes gevormd worden en dat kleine dampbel-letjes van de inwendige wanden van de mantel 26 voor koelmiddel gemakkelijker losraken. Hoe lager de oppervlaktespanning van het koelmiddel hoe beter. Bij een koelmiddel met hoge verzadigingstemperatuur, dat een 15 oppervlaktespanning heeft geringer dan die van water, en indien gemeten bij 15°C (59°F) en met onderkenning van het feit dat de oppervlaktespanning toeneemt als funktie van toenemende temperatuur en dat de verzadigingstemperatuur van het koelmiddel waar de voorkeur aangegeven wordt wezenlijk groter zal zijn dan de verzadigingstemperatuur van wa-20 ter, is verzekerd dat de oppervlaktespanning van het koelmiddel wezenlijk onder die van water zal liggen bij de verzadigingstemperatuur.

Door de wezenlijk verminderde oppervlaktespanning wordt meer metaaloir-pervlak bevochtigd door koelmiddel in de vloeibare fase, en er bestaat een meer werkzame warmter-overdracht van de wanden naar het koelmiddel. 25 Een tweede voordeel van deze koelmiddelen is het geringe tempera tuursverschil tussen de verzadigingstemperatuur van het koelmiddel en de temperatuur van het metaal van de cilinderkop van de motor, hetgeen in een hoger niveau van het koken van kernen en een verminderd niveau van het koken van lagen van het vloeimiddel tot gevolg heeft. De omvang 30 van de warmte-overdracht in een kooktoestand met kernen is aanzienlijk groter dan de omvang van warmte-overdracht in een toestand met het koken van een laag. Dienovereenkomstig is de omvang van de afgifte van warmte door verdamping van het koelmiddel groter vanwege het hogere kookpunt, hogere molecuulgewicht en de lagere oppervlaktespanning van 35 het koelmiddel in vergelijking met water.

Uit proeven is gebleken dat de temperaturen gemeten op uitwendige oppervlakken nabij kritische gebieden met betrekking tot de warmte van de cilinderkop gekoeld met etheenglycol of propeenglycol in het systeem geschetst in fig. 1 ongeveer 17°C (30°F) lager zijn dan de temperatuur 40 op dezelfde plaats in de kop voor de dezelfde motor gekoeld met gebrui- 8320385 23 kelijk vloeibaar koelmiddel met water en antivries in een gebruikelijk gepompt koelsysteem met vloeistof. Het is mogelijk dat er een veel groter verschil bestaat tussen de temperaturen bij de inwendige oppervlakken van de cilinderkop bij het uitvoeren van de onderhavige uitvinding 5 en bij het gebruikelijke systeem. Verondersteld wordt dat de verminderde temperatuur het gevolg is van een aanzienlijk werkzamere warmte-uit-wlsseling tussen het metaal van de kop en het koelmiddel met de onderhavige uitvinding.

Er bestaat waarschijnlijk een aanzienlijke omvang van koken, dat 10 plaatsvindt in de koelmantel van de cilinderkop van gebruikelijke met vloeistof gekoelde motoren op bepaalde scheidingsvlakken tussen het metaal en het vloeibare koelmiddel. Op bepaalde van deze plaatsen wordt de zo gevormde damp opgesloten, en de omvang van de warmte-overdracht van het metaal naar de vloeistof wordt daardoor zeer onwerkzaam gemaakt 15 door de aanwezigheid van een dampafsluiting tussen het metaal en de vloeistof. Daarom zijn de gemiddelde omstandigheden met betrekking tot de temperatuur over de gehele kop enigszins aanzienlijker dan dat deze bij de onderhavige uitvinding zijn. Een dergelijk koken in de kop vindt in het bijzonder plaats om de uitlaat doorgangen en nabij de gebieden 20 bij de uitlaatklepzitting van een gebruikelijke met het vloeistof gekoelde motor. Met de koelmiddelen gebruikt volgens de onderhavige uitvinding verlaat de damp de wand gemakkelijker en kan gemakkelijker door vloeistof vervangen worden voor een betere warmte-overdracht.

Een derde voordeel van een koelmiddel met hoge verzadigingstempe-25 ratuur en hoog molecuulgewicht bij de werkwijze volgens de uitvinding, is dat het aantal dampmoleculen afgegeven bij een bepaald niveau van warmte-afgifte, wezenlijk geringer kan zijn dan de moleculen waterdamp benodigd voor dezelfde warmte-afgifte in een motor gekoeld met kokend water. Een vermindering in de hoeveelheid damp die voortgebracht wordt, 30 is van voordeel omdat dit een vermindering in de verhouding damp vloeistof aanwezig in het hele systeem betekent, dat wil zeggen in de koel-middelmantel, de leidingen en de condensor. Veel organische vloeistoffen hebben een molaire verdampingswarmte die groter is dan die van water. Propeenglycol heeft bijvoorbeeld een moleculaire verdampingswarmte 35 die ongeveer 20% groter is dan die van water. Bijgevolg brengt propeenglycol slechts 80% van het aantal dampmoleculen water voort wanneer dezelfde hoeveelheid warmte verwijderd wordt.

De koelmiddelen gebruikt volgens de onderhavige uitvinding hebben verzadigingstemperaturen die de temperatuur aanwezig bij het grootste 40 deel van de inwendige oppervlakken van de koelmantel 20 van het cilin- 8320385 N» 24 derblok, te boven gaan. Dit betekent dat weinig of geen damp voortgebracht wordt in de mantel van het blok en dat enige damp, die voortgebracht is, snel opnieuw condenseert en dat het koelmiddel geleid van de mantel van het blok naar de mantel van de kop in hoofdzaak vrij van 5 damp is en daarom zich in de toestand bevindt, waar een in aanzienlijke mate de voorkeur gegeven wordt, voor werkzame warmte-overdracht. In het kort hoeft de mantel voor koelmiddel van de kop niet te dienen als leiding voor het geleiden van een koelmiddeldamp uit het blok alsmede voor een tijdelijke rustplaats voor damp voortgebracht in de mantel van de 10 kop zelf, en daarom wordt verondersteld dat het dampniveau in de kop in hoofdzaak lager is dan in een koelsysteem met kokende vloeistof dat een waterig koelmiddel gebruikt.

Koelmiddeldamp voortgebracht in de mantel 26 van de kop stijgt naar de bovenkant van de mantel en gaat naar buiten door één of meer 15 van de dampuitlaatleidingen 32, komt vrij in de condensor 38 en stijgt door convectie en impuls in de condensor naar boven naar de thermische geleidende bovenwand 36. Bij verhoudingsgewijs lage niveau's van ontwikkeling van damp uit de mantel 26 voor koelmiddel, lijkt slechts een klein deel van het totale oppervlaktegebied van de condensor in aanra-20 king te zijn met stoom. Voertuigen voorzien van een koelsysteem waarin de condensor de gehele motorkap van de voertuigen is, tonen slechts in de omvang van ongeveer een kwart tot de helft van het totale oppervlakr tegebied een wezenlijk verwarmen van het oppervlaktegebied van de kap. Uit deze waarnemingen komt de gevolgtrekking dat een condensorkamer, 25 waarin alle oppervlakken van het kappaneel 36 en de bodempan 38 aanwezig zijn als condensoroppervlakken voor de damp, het vermogen heeft zcr-veel damp als de motor op kan wekken onder alle omstandigheden en bedrijfsbelastingen te condenseren, met de mogelijke uitzondering van buitensporige omstandigheden van langdurig bedrijf bij volle belasting 30 van de motor bij lagere snelheden van het voertuig onder een heldere direkte zonnestraling, waar het met de zon verwarmen van het motorkap-oppervlak het condensatievermogen van de motorkap van het voertuig aanzienlijk kan verminderen. Zelfs aan deze buitensporige omstandigheid kan een aanpassing gevonden worden door het opbrengen van een heldere 35 reflecterende bekleding van het type dat zonnestraling in één richting doorlaat op de motorkap of het vermijden van het gebruik van warmte absorberende, donkere kleuren voor de motorkap van het voertuig dat onder moeilijke omstandigheden gebruikt wordt.

Bij aanraking met de wanden van de condensor wordt zich in damp-40 fase bevindend koelmiddel gecondenseerd. De vorming en de richting van 8320385 " 25 de pan 38 moet ontworpen worden om redelijk snelle stroming van het gecondenseerde koelmiddel naar het collectordeel 40 te bevorderen alsmede het door zwaartekracht terugkeren van het koelmiddel door de retourlei-ding 42 naar de mantel voor koelmiddel. Snel terugkeren van het koel-5 middel naar de motor is in het bijzonder wenselijk indien de omgevingstemperatuur laag is, teneinde het wezenlijk koelen van het condensaat te vermijden voordat dit de mantel van de motor bereikt. Anders zal er neiging bestaan dat een deel van de mantel voor koelmiddel dat het condensaat ontvangt buitensporig gekoeld wordt, waardoor de temperatuurs-10 gradiënt in de cilinderwanden toeneemt en de voordelen van de onderhavige uitvinding omvattende de aanwezigheid van de meer gelijkmatige temperaturen over de gehele hoogte van de cilinderwanden, enigszins verkleind worden.

Een koelsysteem geconstrueerd om te werken in overeenstemming met 15 de werkwijze van deze uitvinding door gebruik van een niet waterig koelmiddel met hoog molecuulgewicht en kookpunt bij hoge temperatuur kan ontworpen zijn om te werken met hetzij de condensorkamer die belucht is naar de atmosfeer of met het systeem volledig gesloten. Voor een gesloten systeem is het drukverschil tussen de binnenkant van de 20 condensor en de buitenkant van de condensor een funktie van de gemiddelde temperatuur van het omsloten volume bij een bepaalde omgevings-druk. De gemiddelde temperatuur van het omsloten volume hangt van de hoeveelheid en de temperatuur van de binnentredende damp, de werkzaamheid van de warmte-overdracht van de condensor en het totale volume om-25 sloten door de condensor af. Druk en vacuümontlastafsluiters zullen in een gesloten systeem opgenomen worden teneinde veranderingen in hoogte compenseren of om het systeem te beschermen in het geval dat vluchtige verontreiningen zoals water aanwezig zijn of ingebracht worden in het koelmiddel.

30 Indien het systeem gebruikt wordt met de condensor belucht naar de atmosfeer, moet de beluchting geplaatst worden op een koele plaats verwijderd van de dampinlaat of -inlaten en in een bovendeel van de condensorkamer. Aangezien de koelmiddelen voor gebruik bij de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding waar de voorkeur aangegeven wordt een 35 hoog molecuulgewicht hebben (molecuulgewicht groter dan 60), en de damp zwaar is ten opzichte van lucht (mg = 28) en ten opzichte van waterdamp (mg - 18), worden de primaire verontreinigingen (lucht en waterdamp) verplaatst door de zwaardere damp van het koelmiddel en uit de beluchting naar buiten gedrukt.

40 Motoren uitgerust met het systeem geschetst in fig. 1 en bedreven 8320385 26 met koelmiddelen met een hoog molecuulgewicht en hoog kookpunt bleken een vermindering in warme plaatsen, detonatie en voorontsteking en een aanzienlijke vermindering van de temperatuursgradiënt van de bovenkant naar de onderkant van de motor, verbeterde brandstofgebruik en lager 5 emissieniveau te hebben. Vanwege de verhoogde, meer gelijkmatige verdeling van de temperatuur over de boring is de motorsmering werkzamer, wordt slijtage bijgevolg verminderd en het nuttig gebruik van brandstof verbeterd. Vanwege de hogere temperaturen van de boringen in het blok, zijn waterverontreiniging, vorming van slib en zuur in de smeerolie van 10 geringere omvang. De motoren bleken vrij te zijn van hoorbaar kloppen.

De condensorkamer zelf kan op verscheidene wijze geconstrueerd worden om in stijfheid te voorzien. De pan zal verstevigingsribben omvatten, met talloze openingen om damp en vloeistof in staat te stellen vrij door de kamer te bewegen. De pan kan op enige geschikte wijze aan 15 het uitwendige lichaamspaneel verbonden worden, dat het condensatie-op-pervlak vormt. Moderne kleefstoffen zijn ideaal geschikt voor het verbinden en afdichten van de pan met het lichaamsoppervlak met gerolde en gekrompen randen.

Systemen ontworpen voor voertuigen zullen damp- en condensaatlei-20 dingstelsels moeten omvatten alsmede een condensor, die voorziet in het afnemen van damp van het hoogste punt in de koelmantel van de kop en voor het terugvoeren van condensaat van het laagste punt in de condenr sor voor alle normale bedrijfshoogten van het voertuig. In bepaalde gevallen zal dit de aanwezigheid van twee of meer uitlaatleidingen 32 25 voor damp vereisen, die naar de condensor gaan en twee of meer retour-leidingen vereisen die van de condensor terug naar de motor gaan, waardoor het systeem geschikt wordt voor goede stroombanen voor damp en condensaat in het circulatiestelsel voor zowel bergopwaarts als bergaf— waartsbedrijf. In andere gevallen kan het voldoende zijn om dezelfde 30 leiding of leidingen te gebruiken om damp van de motor naar de condensorkamer te geleiden en voor het terugvoeren van het condensaat van de condensor naar de motor. Een enkele leiding die damp van de bovenkant van de mantel voor koelmiddel van de kop geleid naar het verzamelorgaan in het voorste benedendeel van een condensor ingebouwd in een hellende 35 automobielkap kan bijvoorbeeld eveneens condensaat in de tegenovergestelde richting geleiden.

De geometrie van het stelsel moet eveneens zodanig zijn dat verzekerd is dat het vulniveau, dat in hoofdzaak met de horizontaal overeenkomt onafhankelijk van de stand van het voertuig, in de mantel voor 40 koelmiddel van de kop nooit onder de bovenkant van de mantel 26 kan da- 8320385 27 len of ten minste een vulniveau voor vloeistof over de hele mantel van de kop handhaaft, die de uitlaatpoorten bedekt en het belangrijkste deel van de mantel van de kop vult. Natuurlijk zou het niet bedekken van de uitlaatpoorten tot een zeer ongewenste opbouw van temperatuur in 5 de onderhavige uitlaatpoort of -poorten leiden.

Het is algemeen bekend dat de warmte-afgifte in het koelmiddel van een inwendige verbrandingsmotor in hoofdzaak in de kop plaatsvindt. Dienovereenkomstig is, zoals afgebeeld in fig. 2, de onderhavige uitvinding toepasbaar op een motor waarin het cilinderblok 12' van de mo-10 tor gekoeld wordt door afgifte van warmte door de metalen wanden van de cilinders naar de buitenlucht, en er geen koelmantels om de cilinders zijn. De cilinders kunnen keramische voeringen hebben, en het blok kan ontworpen zijn om warmte in de cilinderwanden vast te houden, om zo het thermodynamische rendement van de motorcyclus te verbeteren door het 15 verminderen van warmte-afgifte uit het verplaatste volume. Bij een dergelijke motor vult het koelmiddel met hoog kookpunt slechts de mantel 26 voor koelmiddel van de cilinderkop en de kop 22 van de motor is door een vaste koppakking 44 ten opzichte van het blok afgedicht. Eén of meer uitlaadleidingen 32 voor damp gaan van het bovenste deel of de bo- 20 venste delen van de mantel 26 voor koelmiddel van de kop naar de con- densorkamer 34 en één of meer retourleidingen 42 voor condensaat gaan van de condensorkamer terug naar de mantel 26 voor koelmiddel.

Bij de uitvoering volgens de fig. 2 kan de leiding 32 die de mantel 26 voor koelmiddel van de kop verbindt met de condensorkamer 34 25 dienen voor twee funkties namelijk het geleiden van damp van de kop van de motor naar de condensorkamer en voor het terugbrengen van het con densaat uit de kamer naar de mantel voor het koelmiddel. Bij alle uitvoeringen van de uitvinding kan de leiding of kunnen de leidingen, gebruikt om damp uit de mantel voor koelmiddel voor de kop te geleiden 30 naar de condensor een verhoudingsgewijs grote diameter hebben om maximale vrijheid van ontwikkeling van het koelmiddel in dampfase uit de motor naar de condensorkamer te verzekeren. Slangen of pijpen voor het geleiden van damp van ongeveer een tot twee duim in diameter zijn typisch voor automobielmotoren met geringe verplaatsing. Natuurlijk zul-35 len systemen voor grotere motoren profijt hebben van grotere leidingen. Typische retourslangen voor condensaat hebben 1/2” tot 3/4" diameter.

De werking van het systeem afgebeeld in fig. 2, is in hoofdzaak hetzelfde als de werking van het systeem afgebeeld in fig. 1, doordat al het aanvullende koelmiddel dat de kop binnentreedt zich in de vloei-40 bare toestand bevindt. In het geval van de uitvoering volgens fig. 2 8320385 28 wordt het gecondenseerde koelmiddel echter rechtstreeks naar de koel-mantel 26 van de kop teruggevoerd vanaf de condensatiekamer in plaats van via het blok terug te keren. Dezelfde voordelen van een verminderd dampniveau in de kop en dientengevolge betere warmte-overdrachtsomstan-5 digheden in de mantel voor koelmiddel van de kop worden evenals bij de uitvoering volgens fig. 1 ook verkregen met de uitvoering van fig. 2.

Bij bepaalde ontwerpen van motoren en bepaalde koelmiddelen kan het voorkomen dat het koelmiddel in de mantel voor koelmiddel in het blok de verzadigingstemperatuur bereikt. In plaats van een dampstroom 10 koelmiddel uit het blok in de mantel voor koelmiddel in de kop te hebben, kan de damp afzonderlijk uit de mantel van het blok onttrokken worden en naar de condensor geleid worden. Een uitvoering van een dergelijk systeem is in fig. 3 afgebeeld. Damp uit de mantel 20 voor koelmiddel van het blok gaat door één of meer aftakleidingen 46 verbonden 15 met het bovenste deel of bovenste delen van de mantel voor koelmiddel van het blok. De aftakleidingen verbinden de hoofdleiding 32 voor het ontladen van damp. Een tweede aftakleiding (of leidingen) 48 verbindt de mantel 26 voor koelmiddel voor de kop met de leiding 32. Dienovereenkomstig wordt damp gescheiden van de mantel 20 voor koelmiddel van 20 het blok en de mantel 26 voor koelmiddel van de kop geleidt naar de condensorkamer 34. Het condensaat gecondenseerd in de condensor 34 wordt van het verzameldeel 40 teruggevoerd door de hoofdretourleiding 42 die een aftakleiding 50 voedt, die verbonden is met de mantel 26 voor koelmiddel van de kop en een aftakleiding 52 verbonden met de manr 25 tel 20 voor koelmiddel van het blok. Bij de werkwijze zoals uitgevoerd in het stelsel afgebeeld in fig. 3, is het condensaat toegevoerd aan de mantel 26 voor koelmiddel van de kop via de aftakleiding 50 vrij van damp, waardoor de hoeveelheid damp in de mantel voor koelmiddel van de kop steeds verminderd wordt, in het bijzonder door het niet toevoeren 30 van enig met damp beladen koelmiddel aan de mantel van de kop. Het in fig. 3 afgeheelde systeem is in staat om te werken met een koelmiddel met een verhoudingsgewijs lage verzadigingstemperatuur.

Het in fig. 4 afgeheelde systeem voorziet in het gebruik van verschillende koelmiddelen in de mantel met koelmiddel van het cilinder-35 blok en de mantel met koelmiddel van de kop. Eén of meer uitlaatlei-dingen 54 voor damp zijn verbonden met het bovendeel van de mantel 20 voor het koelmiddel van het blok en voorzien in de geleiding van damp-vormig koelmiddel uit de mantel 20 van het blok in een eerste condensor 56. Gecondenseerd koelmiddel wordt naar het blok teruggevoerd door één 40 of meer leidingen 58. Zich in dampvorm bevindend koelmiddel voortge- 8320385 29 bracht in de mantel 26 voor koelmiddel voor de cilinderkop wordt in een tweede condensor 60 geleid door één of meer uitlaatleidingen 62, en het condensaat in kamer 60 wordt teruggevoerd naar de mantel 26 voor koelmiddel van de kop door één of meer leidingen 64. Het in fig. 4 afge-5 beelde systeem is bedoeld voor gebruik in een motor die ontworpen is om verschillende werktemperaturen in het blok en in de cilinderkop te hebben. Voor verbeterd thermodynamisch rendement kan het bijvoorbeeld wenselijk zijn dat het blok met een hogere temperatuur dan de kop werkt en dat de kop op een lagere temperatuur gehouden wordt om detonatie, voor-10 ontsteking of andere ongewenste effecten van een buitensporig hoge temperatuur in het kopdeel van de motor te vermijden. De hogere temperatuur in het blok verzekert een meer volledig verbranding van de brandstof, alsmede een groter rendement van de warmtecyclus van de motor vanwege de verminderde warmte-afgifte. De cilinderwanden kunnen bekleed 15 zijn met keramische of andere aan hoge temperatuur weerstand biedende voeringen en het blok kan geïsoleerde buitenwanden hebben. Aangezien dit systeem het meest waarschijnlijk gebruikt zal worden wanneer de kop en het blok op twee verschillende temperaturen gehouden moeten worden, kunnen afzonderlijke koelmiddelen gekozen worden, die elk de gewenste 20 bijbehorende verzadigingstemperatuur hebben.

De twee condensorkamers zullen natuurlijk ontworpen zijn om in het noodzakelijke condensatievermogen te voorzien voor de bijbehorende kringloop voor koelmiddel, namelijk de kringloop voor koelmiddel van de kop en de kringloop voor koelmiddel van het blok. Evenals bij de hier-25 boven beschreven uitvoeringen, voorziet de uitvoering volgens fig. 4 in de toevoer van koelmiddel in vloeibare toestand aan de mantel 26 voor koelmiddel van de kop, waardoor de verhouding damp vloeistof in de mantel van de kop verminderd wordt en een doelmatig koelen onder alle uitwendige omstandigheden en bedrijfsomstandigheden verzekerd wordt.

30 Naast het gebruik van de werkwijze volgens de uitvinding in inwen dige verbrandingsmotoren met zuigers, kan de uitvinding eveneens gebruikt worden bij andere inwendige verbrandingsmotoren. Fig. 5 toont bijvoorbeeld schematisch een wankelmotor met een huis 60, dat drie gescheiden mantels 62, 64, 66 voor koelmiddel omvat. Het brandbare meng-35 sel, dat de motor aandrijft, wordt ingevoerd door een inlaatpoort 68, wordt samengeperst in de inwendige kamer 70 wanneer het volume in het rechterdeel van de kamer (in fig. 5) verplaatst wordt door één van de oppervlakken van de rotor 72. Het gebied nabij de bougie of overeenkomstig ontstekingsorgaan 74 vormt het kopdeel van de wankelmotor waar 40 het te verbranden fluïdum dat aan de motor toegevoegd wordt ontstoken 8320385 30 en verbrand wordt. Een tweede verplaatst volume van de kamer in hoofd-zaak binnen de mantel 66 voor koelmiddel is de expansiekamer, waar de werkslag van de motor plaatsvindt, waarbij de uitlaatprodukten van de verbranding ontladen worden door een uitlaatpoort 75 bij het beëindigen 5 van de werkslag van elk vlak van de rotor.

Het hoogste punt in elk van de mantels 62, 64 en 66 voor koelmiddel wordt door een uitlaatleiding respectievelijk 76, 78 en 80 voor damp verbonden met een condensatorkamer 82 op een passende plaats aangebracht op een niveau boven de motor. Damp voortgebracht in elk van de 10 mantels voor koelmiddel wordt door de bijbehorende uitlaatleiding of leidingen geleid, vrijgegeven in de condensorkamer, stijgt door convectie en impuls naar boven in aanraking met de thermisch geleidende bovenwand 84 van de kamer en wordt gecondenseerd door warmte-uitwisseling met de wand 84. Het condensaat valt op de pan 86 van de condensorkamer, 15 stroomt naar het verzameldeel 88 en wordt door een gemeenschappelijke retourleiding 90 teruggebracht naar elk van de respectievelijke mantels 62, 64 en 66 voor koelmiddel door aftakretourleidingen 92, 94 en 96.

Bij de algemene beschrijving van deze uitvinding is steeds verwezen naar de mantel voor koelmiddel van het blok en de mantel voor koel-20 middel van de kop van de motor. Aangezien de vorm van een wankelmotor verschilt van die van een zuigermotor wordt hierboven verwezen naar de verplaatste volumina van kamer 70. Delen van huis 60 van de wankelmotor die in hoofdzaak buiten de verplaatste volumina liggen zijn met betrekking tot de funktie gelijk aan het cilinderblok van een zuigermotor.

25 Beoogd wordt dat alle hier gebruikte verwijzingscijfers voor de mantel voor koelmiddel van het blok toepasbaar zijn voor de mantels 62 en 66 voor koelmiddel welke verbonden zijn met de verplaatste volumina van de wankelmotor. Dienovereenkomstig wordt beoogd dat de mantel 64 voor koelmiddel in de nabijheid van de verbrandingszone van kamer 70 begre-30 pen moet worden als de mantel voor koelmiddel van de kop van de wankelmotor. Daarom wordt de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding uitgevoerd in de wankelmotor afgeheeld in fig. 5 door het feit dat vloeibaar koelmiddel toegevoerd wordt van de condensor 82 in vloeibare toestand aan de mantel 64 van de kop nabij de verbrandingszone, waardoor 35 een van voordeel zijnde verhouding van koelmiddel dat zich in de damp-fase bevindt ten opzichte van het koelmiddel dat zich in het vloeistof-fase bevindt, in de mantel 64 voor koelmiddel van de kop ingesteld wordt.

Een wijziging van de uitvoering van fig. 5, die gemakkelijk duide-40 lijk zal zijn voor degene bekwaam in de stand der techniek in het kader 132038e 31 van het voorgaande voorziet in de aanwezigheid van gescheiden conden-sorkamers voor elke mantel op een wijze analoog aan de uitvoering van fig. 4. Met een dergelijke wijziging kan elke mantel voor koelmiddel van de motor voorzien worden van een verschillend koelmiddel, waardoor 5 het optimaal maken van de temperaturen in de verschillende zones van de motor mogelijk wordt voor maximaal thermodynamisch rendement en voor het bereiken van andere wenselijke mechanische eigenschappen zoals verminderde thermische spanningen in het huis, goede smering, meer werkzame omvang van de warmte-overdracht en andere doeleinden.

10 Bij een wankelmotor bevindt de uitlaatpoort zich op een plaats in de motor die afgelegen is van de verbrandingszone, dit in tegenstelling tot de zuigermotoren met de Ottocyclus of van het dieseltype, waarbij de verbrandingszone en uitlaatpoort zich beide in de kop bevinden. Het werkzame koelen van het uitlaatpoortgebied van het huis van de wankel-15 motor wordt verzekerd door het feit dat vloeibaar koelmiddel toegevoerd wordt aan zowel mantel 66 als mantel 62, waarbij één van de mantels verbonden kan zijn met het manteldeel 98 dat tussen de inlaat en uit-laatpoorten 68 en 74 ligt. Dienovereenkomstig is een gering dampniveau aanwezig in het gebied om de uitlaatpoort, waardoor in werkzaam koelen 20 voor de uitlaatpoort voorzien wordt.

Fig. 6 toont het gebruik van de uitvinding in een automobiel met een dwarsgeplaatste motor 102 aangebracht in een motorcompartiment dat bedekt wordt door een motorkap 104. De motorkap 104 en een pan 110 begrenzen een condensorkamer 106, die damp ontvangt geleid vanaf de bo~ 25 venkant van de mantel voor koelmiddel van de kop door leiding 108. De damp condenseert in de kamer, en het condensaat keert terug door dezelfde leiding 108 naar de mantel voor koelmiddel van de kop. De leiding 108 is een buigzame slang die op passende wijze aangebracht is om de motorkap in staat te stellen naar boven gebracht te worden voor toe-30 gang tot het motorcompartiment. De neus 114 van het voertuig kan volledig of in aanzienlijke mate gesloten worden waardoor weerstand verminderd wordt. Een kleine luchtinlaat kan aanwezig zijn om het motorcompartiment en de oliepan te koelen.

In een systeem voor een vliegtuig aangedreven door één of meer 35 zuigermotoren of wankelmotoren, kan de condensorkamer in het dak van de romp van een vliegtuig of in de bovenkant van de vleugel van een vliegtuig aanwezig zijn of in de bovenkant van het lichaam van de helicopter aanwezig zijn. Fig. 7 toont een vliegtuig 120 met motoren 122 aangebracht in houders 124 onder de vleugels 126. De condensorkamers 128 40 zijn aangebracht in de bovenste vleugeloppervlakken, in hoofdzaak boven 8320385 β- 32 de motor, zodat de propellorstroom in een koelende luchtstroom over het uitwendige koelpaneel zal voorzien, indien het vliegtuig zich op de grond bevindt. In het algemeen zullen koelsystemen voor vliegtuigen voorzien van de onderhavige uitvinding kleine pompen hebben voor het 5 terugbrengen van condensaat naar de motor vanaf verzamelorganen voor condensaat bij de vier hoeken van de condensorkamers, aangezien het systeem aanzienlijke stamp- en rolbewegingen moet opnemen. Een nevenwerking van de zich aan het vleugeloppervlakt bevindende condensors is het van ijs ontdoen.

10 In de algemene beschrijving van deze uitvinding is vaak verwezen naar "verzadigingstemperatuur" en naar "het kookpunt". Deze aanduidingen zijn juist gebruikt met verwijzing naar de eigenschappen van zuivere koelmiddel substanties of azeotrope mengsels, aangezien voor niet azeotrope mengsels koken in een temperatuursinterval plaatsvindt, 15 waarbij de laagste temperatuur het belpunt en de hoogste temperatuur het dauwpunt genoemd wordt. In de praktijk behoeven vloeistoffen gebruikt voor koelmiddel volgens de onderhavige uitvinding geen volledige zuivere substanties of azeotrope mengsels te zijn aangezien deze verontreinigingen zoals water en andere niet bedoelde toevoegingen kunnen 20 bevatten. Verder kan een koelmiddel geformuleerd voor gebruik met dit systeem een mengsel van substanties bevatten dat de vloeistof een kook-traject en daarom een reeks van verzadigingstemperaturen kan geven.

* 8320385

Claims (14)

1. Werkwijze voor het met kokende vloeistof koelen van inwendige verbrandingsmotoren, gekenmerkt door de stap van het onder alle be- 5 drijfsomstandigheden van de motor toevoeren van de koelmiddel dat zich uitsluitend in een vloeibare toestand bevindt en in hoofdzaak vrij van damp is, aan de mantel voor koelmiddel van de kop van de motor, zodat het belangrijkste deel van de mantel voor koelmiddel van de kop steeds gevuld blijft met koelmiddel dat zich in een vloeibare toestand be~ 10 vindt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 en verder gekenmerkt doordat het koelmiddel een verzadigingstemperatuur heeft boven de hoogste temperatuur bereikt door de wanden van de mantel voor koelmiddel van het motorblok en dat het koelmiddel aan de mantel voor koelmiddel van de kop 15 toegevoerd wordt vanaf de mantel voor koelmiddel van het blok.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, en verder gekenmerkt doordat het koelmiddel een organische vloeistof is, met een verzadigingstemperatuur bij de druk in de mantel voor koelmiddel van niet lager dan ongeveer 132°C (270°F).

4. Werkwijze volgens conclusie 3 en bovendien gekenmerkt doordat het koelmiddel in aanzienlijke mate één uit de groep bestaande uit etheenglycol, propeenglycol, tetrahydrofurfurylalcohol, dipropeenglycol en 2,2,4-trimethyl-l,3-pentaandiol monoïsobutyraat omvat.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, en verder gekenmerkt doordat het 25 drukverschil tussen een uitlaat voor damp uit de mantel voor koelmiddel van de kop van de motor naar een condensor en een uitlaat voor vloeistof uit de condensor op niet groter dan ongeveer 7 kPa (1 psi) gehoir-den wordt.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, en verder gekenmerkt doordat het 30 koelmiddel rechtstreeks geleid wordt naar de mantel voor koelmiddel van de kop uitsluitend uit een met verdamping werkende condensor, die damp uit de mantel voor koelmiddel van de kop ontvangt.

7. Werkwijze volgens conclusie 6 en verder gekenmerkt door de stappen van het toevoeren van het deel van het koelmiddel uit de damp- 35 condensor rechtstreeks naar de mantel voor koelmiddel van het blok, waarbij het overblijvende deel rechtstreeks naar de mantel voor koelmiddel van de kop toegevoerd wordt, en het geleiden van damp gescheiden van mantels voor koelmiddel van het blok en van de kop naar dezelfde condensor.

8. Werkwijze volgens conclusie 1 en bovendien gekenmerkt doordat 8320385 XT . 34 het vloeibare koelmiddel toegevoerd wordt naar de mantel voor koelmid-del van de kop, rechtstreeks uit een eerste condensor voor damp, waarbij de damp uit de mantel voor koelmiddel van de kop naar de eerste condensor wordt geleid, waarbij een tweede koelmiddel toegevoerd wordt 5 naar de mantel voor koelmiddel van het blok in uitsluitend vloeibare toestand uit een tweede condensor voor damp, en waarbij damp uit de mantel voor koelmiddel van het blok naar de tweede condensor geleid wordt voor condensatie.

9. Werkwijze volgens conclusie 1 en verder gekenmerkt door dat het 10 koelmiddel aan de mantel voor koelmiddel van de kop doorgevoerd wordt door zwaartekracht uit een condensor voor damp met een verzamelorgaan voor condensaat en uitlaatdeel boven de bovenkant van de mantel voor koelmiddel van de kop en dat een retourleidingmiddel voor koelmiddel uit het uitlaatdeel voor condensaat naar de mantel voor koelmiddel van 15 de kop steeds gevuld is met koelmiddel of een niveau boven de bovenkant van de mantel voor koelmiddel.

10. Koelsysteem voor een inwendige verbrandingsmotor, welke motor omvat een mantel voor koelmiddel, en met een condensor en leidingmidde-len voor het geleiden van koelmiddel dat zich in dampfase bevindt van 20 in hoofdzaak de hoogste zone in de mantel voor koelmiddel naar de condensor en voor het terugvoeren van koelmiddel als condensaat naar de mantel voor koelmiddel, met het kenmerk, dat koelmiddel een organische vloeistof is met hoog molecuulgewicht en met een verzadigingstemperatuur bij atmosferische druk van niet minder dan ongeveer 132°C (270°F), 25 een moleculaire verdampingswarmte bij atmosferische druk van groter dan ongeveer 9800 cal/mol en een oppervlaktespanning bij 15°C (59°F) van minder dan ongeveer 70 dyne/cm.

11. Koelsysteem volgens conclusie 10 en verder gekenmerkt door dat het koelmiddel in hoofdzaak omvat een lid gekozen uit de groep bestaan- 30 de uit etheenglycol, propeenglycol, tetrahydrofurfurylalcohol, dipro-peenglycol en 2,2,4-trimethyl-l,3-pentaandiolmonoïsobuyraat.

12. Koelsysteem volgens conclusie 10 en verder gekenmerkt doordat er gescheiden mantels voor koelmiddel voor het motorblok en de motorkop aanwezig zijn en dat er twee circulatiecircuits voor koelmiddel zijn, 35 een tussen de mantel voor koelmiddel van het blok en de condensorkamer en een tussen de mantel voor koelmiddel van de kop en de condensorkamer.

13. Koelsysteen volgens conclusie 10 en verder gekenmerkt doordat een tweede condensorkamer aanwezig is, doordat gescheiden mantels voor 40 koelmiddel voor het blok en de kop van de motor aanwezig zijn, en 8320385 «Γ / 35 doordat gescheiden circulatiecircuits voor koelmiddel aanwezig zijn, een tussen de eerste condensorkamer en de mantel voor koelmiddel van de kop en één tussen de tweede condensorkamer en de mantel voor koelmiddel van het blok.

14. Koelsysteem volgens conclusie 10 en verder gekenmerkt doordat geen mantel voor koelmiddel in het motorblok aanwezig is en dat de uitlaat- en inlaatleidingen beide verbonden zijn tussen de condensorkamer en de mantel voor koelmiddel van de kop. 10 =============== 8120385