DE3516762A1

DE3516762A1 - Verfahren und vorrichtung zum kuehlen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3516762A1
Application number: DE19853516762
Authority: DE
Inventors: John W. Sharon Conn. Evans
Original assignee: Evans Cooling Associates
Current assignee: Evans Cooling Associates
Priority date: 1984-05-11
Filing date: 1985-05-09
Publication date: 1985-11-14
Also published as: GB2159878B; SE458463B; AU582579B2; IN164013B; CA1237616A; PT80439B; AU4186185A; JPS6134313A; ES8700725A1; NL8501291A; IT8548070A1; PT80439A; ES542681A0; BR8502228A; KR920007890B1; SE8502291L; KR850008381A; IT8548070A0; BE902400A; AR241479A1

Description

PATENTANWÄLTE dr.-ing. franz vuesthofp

WUESTHOFF-v. PECHMANN -BEHRENS-GCETZ' - -»*·*»'>■·«»a westhofp (.927-1956)

. DIP^.-ING. GERHARD PULS (1952-I971)

EUROPEANPATENTATTORNEYS , ·--

Λ DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHMANN

DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING. DIPL.-VIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

IA '.-59 324 D-8000 MÜNCHEN 90

SCHWEIGERSTRASSE 2

Anm.: Evans Cooling Associates .„.

^J telefon: (089) 66 20 51

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

TELEX: 524070

TELEFAX: VIA (089) 27I 60 63 (ill) Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen von Verbrennungs-

motoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung zum Kühlen von Verbrennungsmotoren oder Verbrennungskraftmaschinen durch begrenzte Siedekühlung.

Der größte Teil aller Verbrennungskraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren, die zur Zeit auf der ganzen Welt in Betrieb sind, werden gekühlt durch Umpumpen eines Kühlmittels auf Wasserbasis in einem geschlossenen Kreislauf, indem ein Kühlmantel um die Brennkammer und ein Wärmeaustauscher oder Kühler (Radiator) gekühlt werden. Bei einigen Motoren,wie insbesondere solchen geringer Leistung, und für einige Plugmotoren ist ein Luftkühlung vorgesehen, jedoch eignet sich Luftkühlung nur schlecht für große stationäre Motoreinheiten und am Boden bewegte Motoren, da es unmöglich ist, eine entsprechend stabile Temperatur einzuhalten, die für eine lange Betriebszeit und gute Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und unterschiedlicher Last erforderlich ist.

Praktisch alle J^lüssigkeits-gekühlten Motoren verwenden Wasser oder eine Lösung eines Frostschutzmittels wie Ethylen-

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glykol in Wasser. Die Verwendung von Wasser als Kühlmedium hat viele Vorteile, da im größten Teil der Erde dieses allgemein verfügbar ist, es nicht brennbar oder entflammbar ist und darüber hinaus einen guten Wärmeübergang gewährleistet. Diese Vorteile überwiegen die Nachteile hinsichtlich Korrosion und der möglichen Abscheidung von Verunreinigungen, welchen durch Zusatz von Frostschutzmitteln weitgehend begegnet werden kann.

Während der letzten etwa 20 Jahre und insbesondere in den letzten Jahren war man bestrebt, die Betriebstemperaturen der Motorkühlsysterne zu erhöhen, was durch Erhöhung des Drucks im System und der Anwendung eines Thermostats für höhere Temperatur ermöglicht wird, um die Wärmeableitung aus dem Motor herabzusetzen und damit dessen Wirkung oder Leistung zu erhöhen. Höhere Kühlmitteltemperaturen sind nicht nur vorteilhaft durch höhere Wärmeableitung in den thermischen Kreis als deren Rückleitung sondern auch durch Herabsetzung der Abschreckung der Flamme, indem die Brennkammerwände heißer gehalten werden. Andererseits führen höhere Temperaturen und Drücke im Kühlsystem zu Problemen bei der Unterhaltung und Wartung wie Lecks und Fehler in Schläuchen und Kupplung sowie Probleme beim Betrieb wie größere Tendenz für die Überhitzung des Motors, das Klopfen des Motors und unerwünscht hohe Öltemperaturen in Verbindung mit erhöhter Emission von Stickoxiden (NO ).

Trotz der anerkannten Wirksamkeit des Kühlmittelkreislaufs besitzt dieses auch Nachteile. So ist es notwendig, ein großes Volumen an Kühlmittel vorzusehen und einen ausreichend großen Kühler zur Bewältigung von Wärmespitzen, die in dem System auftreten können. Es käme sonst von Zeit zu Zeit zu einer Überhitzung des Motors, die zu einer ernstlichen Schädigung führen könnte. Diese Anforderungen sind mit zusätzlichem Gewicht und Aufwand für das System verbunden. Das Kühlmittel wird vom oberen Teil des Kühlmantels in den Wärmeaustauscher

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oder Kühler und zurück in den unteren Teil des Kühlmantels geführt. Dies führt zu einem ziemlich steilen Anstieg des Temperaturgradienten durch die Zylinderwände gleichbedeutend mit einer Änderung des Zylinderdurchmessers zwischen Kopf und Boden. Die Ringe müssen sich dehnen und zusammenziehen, was wieder zu einem Verschleiß der Ringe und Ringstege führt. Die unteren Bereich der Zylinderwände befinden sich oft auf einer Temperatur unter dem Taupunkt von Wasserdampf. Das Wasserdampf-Kondensat gelangt in das Schmieröl und kann dort zur Bildung von Säuren und Schlamm führen.

In der Literatur wird von früheren Versuchen mit Kühlmitteln berichtet, die höhere Temperaturen zulassen wie Ethylenglykol und Anilin (Gibson, A.H., "Aero-Engine Efficiencies",

Ib Transactions of the Royal Aeronautical Society, Nr. 3, 1920; Frank, G.W., "High-Temperature Liquid Cooling", SAE Journal, Bd. 25, Oktober, 1929, S. 329-340 unf Wood, H., "Liquid Cooled Aero Engines", SAE Journal, Bd. 39, JuIi, 1936, S. bis 287). Unter den dort aufgezeigten Problemen werden auch Fälle erwähnt, bei denen beträchtlich über dem gewünschten Niveau befindliche Kopftemperaturen auftraten und es zu Störungen, örtlichen Überhitzungen und Leckage des Kühlmittels kam.

Young, F.M., "High Temperature Cooling Systems", SAE Quarterely Transactions, Bd. 2, Nr. 4, Oktober 1984 erwähnt die Erhöhung der Kühlmitteltemperaturenüber üblicherweise 60 bis 82⁰C für Automotoren. Mit Vorsicht wird vorgeschlagen, Ethylenglykol ohne Druckerhöhung als Kühlmittel zu verwenden, dessen Betriebstemperatur über dem Siedepunkt des Wassers liegt/ jedoch wird auch eine verschlechterte Wärmeableitung und die Möglichkeit lokaler Überhitzungen bei normalen Motoren erwähnt. Im Rahmen der Diskussion über die mögliche Anwendung von unter Druck stehenden Kühlsystemen werden wäßrige Frostschutzmittellösungen erwähnt. Der derzeitige Stand der Technik deckt sich mit den damaligen spekulativen Möglichkeiten.

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ORIGIN AL

Aus GB-PS 480 461 ist die Verwendung von unter Druck stehendem Wasser als Kühlsystem für Plugmotoren bekannt, wobei ein Kondensator für das Sammeln von Dampf vorgesehen ist, der unter ungewöhnlich hoher Last gebildet werden kann,und das im Kondensator anfallende Kondensat dann gelagert wird. Ein System von Ventilen verhindert einen Rücklauf des Kondensats bis zum Abstellen des Motors und Abkühlen. Der Dampf verläßt den Kühlmantel₍mitgenommen mit umgepumpter Flüssigkeit.und erfordert einen Behälter zur Trennung von Dampf und Flüssigkeit. Da der Dampfaustritt aus dem Kühlmantel abhängig ist von der Kühlmittelströmung.füllt sich allmählich ein beträchtlicher Teil des Kühlmantels insbesondere benachbart zu der Verbrennung und dem Abgasbereich mit Dampf, wenn die Dampfbildung einen beträchtlichen Teil des strömenden Kühlmittels ausmacht.

Ein Benzinmotor üblicher Art mit üblichem Kühlsystem scheint die obere Grenze der Temperatur des gesamten Kühlmittels, die ohne unzumutbarem-Klopfen, Wärmerissen im Motorkopf und anderen Nachteilen von ungleichmäßigen und übermäßigen Motortemperaturen

erreichbar ist, zu erreichen, wenn ein Kühlmittel unter Druck gesetzt wird, welches aus Wasser und Ethylenglykol 1:1 besteht, beispielsweise auf einen Druck in der Größenordnung von 1,725 bar (25 psig>undes ausgestattet ist mit einem Thermostat-Ventil für 104⁰C. Es kommt tatsächlich häufig nach einigen 1000 km zu einem untragbaren Klopfen, wenn Koksabscheidungen, die sich in der Brennkammerzu bilden beginnen, Stellen zu bilden, die zum Glühen kommen, wodurch eine Vorzündung und Detonation eintritt.

, Zündung erfolgt in Dieselmotoren, wenn der Brennstoff in eine Brennkammer injiziert wird. Diese Vorzündung durch heiße Stellen stellt kein solches Problem dar wie bei Benzinmotoren, die mit Hilfe von Zündkerzen gezündet werden. Nichts desto weniger führen ungleichmäßige und übermäßige Temperaturen in einem Dieselmotor zu typischen Problemen von mit üblichen Kühl-

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systemen gekühlten Motoren wie Störung und Zerstörung von Bauteilen sowie höhere Schadstoffemissionen.

Zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungsmotoren war die Siedekühlung allgemein üblich. Bei der Siedekühlung kann das Kühlmittel im Kühlmantel sieden. Es wird in einen Kondensator zusammen mit der Dampfphase und etwas Wasser geführt. Das Kondensat wird rückgeleitet entweder unter der Wirkung der Schwerkraft oder durch Pumpen. Die Siedekühlung kam etwa 1930 außer Verwendung, möglicherweise wegen der Einführung einer Temperaturregelung für das Kühlsystem, wodurch möglicherweise ausreichend stabile Motortemperaturen unter unterschiedlichen Bedingungen erreicht werden. Noch dazu können Siedekühlsysteme übermäßig Dampf enthalten und der Kühlmittelverlust durch Sicherheitsventile kann übermäßig werden.

In den letzten 50 oder 60 Jahren wurden die verschiedensten Siedekühlsysteme in der Fachwelt und Patentliteratur beschrieben, jedoch führte keines zu irgendeinem bemerkenswer-0 ten kommerziellen Erfolg, möglicherweise mit Ausnahme für feststehende Motoren wie in der Bohrtechnik. Man beschäftigte sich jedoch weiter mit der Siedekühlung, da sie eine Anzahl von Vorteilen bietet. Die Hauptvorteile sind

1) die Wärmeübergangskoeffizienten für siedendes und kondensierendes Kühlmittel sind etwa eine Größenordnung größer als beim Erhöhen und Herabsetzen der Temperatur eines flüssigen Kühlmittels;

2) unter der Voraussetzung konstanten Drucks ist die Siedetemperatur konstant, so daß die Temperaturen der Zylinder-

wände in dem vom Kühlmittel bespülten Bereich in etwa gleich

bleiben, was zu einer Verringerung des Verschleißes von

Ring und Ringsteg im Betrieb führt;

3) in den unteren Teilen der Zylinderwände sind gleichmäßigere Temperaturen im allgemeinen höher, wodurch der Brenn-

stoff besser ausgenutzt wird in Folge verringerter Wärmeableitung, Abschreckung der Flamme und Reibung;

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4) die benötigte Kiihl/nittelmenge für ein Siedekühlsystem ist beträchtlich geringer als bei einem flüssigen Kühlsystem gleichbedeutend mit geringerem Gewicht und

5) ein Siedekühlsystem mit geringem Druck gestattet leichtere und billigere Schläuche und Anschlüsse und ist weniger ausgesetzt für Lecks und Fehler als ein flüssiges Kühlsystem.

Beispiele für Siedekühlsysteme sind in den US-PS 1 658 934, 630 070, 1 432 518, 3 384 304, 3 731 660 (DE-OS 33 90 316), 367 699 und obigen Aufsatz von F.M. Young beschrieben.

Mit einer Ausnahme wurden bei allen bekannten Siedekühlsystemen Wasser oder wäßrige Lösungen von Frostschutzmitteln mit großen Wasseranteilen als Kühlmittel verwendet. Sie sind bei hohen Umgebungstemperaturen und bei hoch belasteten Motor oder langem Leerlauf wohl nicht zweckmäßig und schließlich ist das vom Motor gebildete Dampfvolumen mit einem Kondensator von in der Praxis geeigneter Größe nicht zu bewältigen. Daher muß zwangsläufig Dampf in gewissem Ausmaß abgeblasen werden.

Von größerer Bedeutung ist jedoch, daß bei Umgebungs- und Arbeitstemperaturen, bei denen große Dampfmengen gebildet werden, die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems beträchtlich herabgesetzt wird. Große Dampfmengen befinden sich in dem Kühlmantel und verdrängen das flüssige Kühlmittel, welches sonst für die Kühlung des Motors zur Verfügung stünde. Die Dampfhaut und das Filmsieden führt zu Bereichen hoher Temperatur, insbesondere am Austritt aus der Brennkammer (an deren Kuppel) und an den Abgasleitungen oder -kammern. Die beim Filmsieden gebildete Dampfhaut verringert den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Metall und Kühlmittel beträchtlich. Es kommt zu örtlichen Überhitzungen und schweres Klopfen tritt ein. Große Dampfmengen gelangen in den Kopf-Kühlmantel aus dem Block-Kühlmantel und die gleichzeitig anwesende Menge an flüssigem Kühlmittel im Kopf sinkt. Ist der Motor nicht abgeschaltet, so kann es zu einem Überhitzen und damit einer Beschädigung kommen. Mit aller Wahrscheinlichkeit wird ein einmal begonnenes Abblasen von Kühlmittel eine beträchtliche Zeit anhalten, selbst nachdem der Motor abgestellt ist und

der Kühlmittelverlust wird so groß sein, daß der Motor ohne Nachfüllen an Kühlmittel nicht mehr in Betrieb genommen werden kann.

Das Sieden im Kühlmantel ist keineswegs beschränkt auf Siedekühlsysteme. Die Spitzentemperaturen in den Brennkammern der Motore liegen in der Größenordnung von 1090⁰C und die Abgastemperaturen können 482°C bei Dieselmotoren und 760⁰C bei Benzinmotoren erreichen. Die Oberflächentemperaturen des Kühlmantels

T ο benachbart zu den Brennkammer-Ausgängen und Abgasleitungen sind hoch genug für ein örtliches Sieden von Kühlmittel selbst in einem Kühlkreislauf, in welchem die Hauptmasse des Kühlmittels flüssig ist und bei einer Temperatur gehalten wird, die wesentlich unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels liegt. Die Wärmeleitung innerhalb einer Flüssigkeit ist nicht gut genug, um einen Temperaturgradienten innerhalb der Flüssigkeit an dieser Stelle und an Stellen,wo sich das Kühlmittel auf tieferer Temperatur befindet, zu verhindern.Das flüssige Kühlmittel in unmittelbarer Nähe der heißen Metallwand des Kühlmantels befindet sich auf Sättigungstemperatur und im Zustand des Verdampfens.

Nach US-PS 43 67 699 wird reines Ethylenglykol als Kühlmittel für die Siedekühlung von Dieselmotoren verwandt.

Dies war wohl das erste Mal, daß ein Kühlmittel mit hoher Sättigungstemperatur und geringem Wassergehalt für die allgemeine Anwendung in Siedekühlsystemen vorgeschlagen worden ist. Dieser Vorschlag gelangte am 16. Dezember 1981 in Form der EP-Anmeldung 00 41 853 an die Öffentlichkeit. Es wird jedoch angenommen, daß zumindest versuchsweise in Dieselmotoren mit einem Kühlsystem in Form einer umlaufenden Flüssigkeit nicht-siedende Kühlmittel, d.h. solche mit einer Sättigungs-

temperatur, die so hoch liegt, daß sie in einem Motor nicht erreicht wird, bereits Verwendung fanden. Bekanntlich arbeiten Dieselmotoren zufriedenstellend bei höheren Temperaturen als Benzinmotoren.

Entsprechend obiger amerikanischer Patentschrift und allen bekannten Siedekühlsystemen werden im wesentlichen Kühlmittel auf der Basis von Wasser verwendet, die in der Nähe der für Benzinmotoren üblichen Kühlmitteltemperaturen sieden, so daß die Fachwelt schließlich im Laufe der Entwicklung von Benzinmotoren und der allgemeinen Praxis zu der Ansicht kam, daß Wasser - enthaltend Frostschutzmittel zur Verhinderung des Gefrierens, der Ansatzbildung und Korrosion - für Benzinmotoren das einzig akzeptable Kühlmittel ist.

In der DE-OS 33 90 316 Ti wird ein Siedekühlsystem offenbart, für welches organische flüssige Substanzen mit Sättigungstemperaturen über - im allgemeinen beträchtlich über 132°C verwendet werden. Diese Grenztemperatur ergab sich aus der Beobachtung, daß das Kühlmittel in dem Block-Kühlmantel normalerweise unterhalb dieses Niveaus ist. Es kommt daher bei einer Substanz mit einer Sättigungstemperatur über diesem Grenzwert im Block selten zu einem Sieden und keine nennenswerte Menge an Kühlmitteldampf gelangt in den Kopf-Kühlmantel aus dem Block-Kühlmantel. Der Kopf-Kühlmantel ist daher nicht mehr eine Leitung für Dampf zum Kondensator aus dem Block-Kühlmantel. Die damit verbundene Verringerung des Kühlmitteldampfes im Kopf-Kühlmantel führt zu einer Erhöhung des Verhältnisses flüssig/Dampf im Zylinderkopfmantel.

Die Verwendung einer organischen Substanz als Kühlmittel mit hoher Sättigungstemperatur ist auch vorteilhalft im Hinblick auf die Wärmeübertragung aus dem Kühlmantel auf das Kühlmittel, da die Bildung einer Dampfhaut an den Innenflächen des Kühlmantels verringert wird. Die Bildung der Dampfhaut erfolgt,wenn die Temperatur einer Oberfläche die

Sättigungstemperatur der mit dieser in Berührung stehenden Flüssigkeit übersteigt in einem solchen Ausmaß, das als "kritische Überhitzung" oder "kritische Temperaturdifferenz" bezeichnet wird. Die kritische Temperaturdifferenz für eine organische Flüssigkeit liegt in der Größenordnung von 50⁰C oder etwa dem Doppeltender von Wasser. Je höher die Sättigungstemperatur ist, um so unwahrscheinlicher ist es, daß die kritische Temperaturdifferenz erreicht wird. Das Sieden der Flüssigkeit durch Wärmeübergang von einer heißen Fläche auf die Flüssigkeit durch eine Dampfhaut wird als Filmsieden bezeichnet. Unter den Bedingungen des Filmsiedens ist die Temperatur der Oberflächen des Kühlmantels nicht begrenzt auf nahe der Sättigungstemperatur des Kühlmittels.

Bei der Auswahl der Kühlmittel ist die Verdampfungswärme oder dem Wärmeinhalt von 1 g verdampfter Flüssigkeit weniger wichtig als die molare Verdampfungswärme oder der Wärmeinhalt von 1 mol Dampf. Je höher die molare Verdampfungswärme ist, um so weniger Mofe Dampf werden durch eine gegebene Wärmemenge erzeugt. Obwohl Wasser eine viel größere Verdampfungswärme als jede organische Flüssigkeit besitzt haben viele organische Flüssigkeiten molare Verdampfungswärmen, die wesentlich höher als die von Wasser sind.

Wenn es möglich ist, Kühlmittel mit hoher Sättigungstemperatur zu verwenden, die frei von Luft und Wasser oder anderen flüchtigen Bestandteilen oder Verunreinigungen sind, so würde das im Kühlmantel vorhandene Gas Dampf sein, der bei einer hohen Temperatur vollständig kondensierbar ist. Indem die Temperatur des gesamten Kühlmittels im Kühlmantel auf einer tieferen Temperatur als der Sattigungstemperatur des Kühlmittels an einer Stelle, durch die der gesamte Dampf strömen muß, gehalten wird, kann man den gesamten Dampf im Kühlmantel kondensieren ohne der Notwendigkeit, den Dampf einem äußeren Wärmeaustauscher für die Kondensation zuzuführen. Leider ist

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dies in der Praxis nicht möglich. Mit Wasser mischbare Kühlmittel, die also nicht mit Wasser Lösungen bilden, sind hygroskopisch und ziehen Wasser aus der ümgebungsluft an, mit der sie in Berührung stehen.

Während der Wassergehalt einer gegebenen Lösung unbedeutend erscheinen kann, ist es die Wirkung des Wassers, selbst in geringen Mengen,nicht. So enthält beispielsweise 1 1 einer hochkonzentrierten wässrigen Propylenglykollösung 97 gew.-%ig - etwa 30 g oder etwa 1,67 mol Wasser. Diese Wassermenge verdampft bei Atmosphärendruck unter Lieferung eines DampfVolumens von 37,4 1. Immer wenn Wasserdampf ein Bestandteil eines Gemischs mit dem Dampf einer anderen Flüssigkeit ist, so läßt sich der Dampf der anderen Flüssigkeit nicht vollständig kondensieren, bis die Temperatur des Dampfgemischs auf die Temperatur unterhalb der Sättigungstemperatur des Wassers bei dem Druck des Systems unterschritten wird. Selbst Flüssigkeiten, die im allgemeinen als mit Wasser nicht mischabr angesehen werden, können geringe Wassermengen enthalten. 1 1 einer Flüssigkeit, die nur 0,5 % Wasser enthält ,führt zu einem Dampfvolumen von 6,2 1, das nicht bei oder über der Siedetemperatur des Wassers kondensiert. Zusätzlich zu der Wassermenge, die ein frisches Kühlmittel enthalten kann ,und Wasser, die das Kühlmittel aus der Umgebungsluft aufzunehmen vermag, kann zufällig oder unbeabsichtigt Wasser in das Kühlsystem gelangen an Tankstellen oder dergleichen. Eine weitere Möglichkeit von Wassereintritt in das Kühlsystem sind Undichtigkeiten/ über die Verbrennungsgase in den Kühlmantel gelangen.

Kühlmitteltemperaturen beträchtlich über TOO⁰C haben daher wesentliche Vorteile. Bei Betrieb bei höheren Temperaturen in den Zylindern wird aus dem Motor weniger Wärme abgeleitet und die Motorleistung steigt. Wegen der vollkommeneren Ver-

brennung des Brennstoffs ist der Schadstoffausstoß in Form von Kohlenmonoxid CO und Kohlenwasserstoffe HC geringer. Bei Dieselmotoren führen höhere Zylindertemperaturen auch zu geringerem Rußausstoß. Mit den üblichen Kühlsystemen unter Verwendung umlaufender Flüssigkeiten können diese Vorteile nur erreicht werden mit sehr hohen Drücken im Kühlsystem.

Die Siedekühlung nach obiger DE-TI beruht im wesentlichen vollständig auf einem oder mehreren Kondensator(en) für die Wärmeabfuhr aus dem Kühlmittel. Der Kondensator muß natürlich ausreichende Wärmeübertragungskapazität haben für die gesamte Wärme, die aus dem Motor durch das Kühlsystem geleitet wird unter schwersten Last-und Umgebungsbedingungen, so daß dieser für die extremen Bedingungen dimensioniert sein muß.

Unter normalen Bedingungen wird nur ein geringer Teil des Kondensators gebraucht und es steht eine beträchtliche ungenutzte Kapazität zur Verfügung. Ein Kondensator nach obiger Anmeldung wird leicht konstruiert und installiert für kleine Automotoren, z.B. mit einem Hubraum von 1600 cm³, jedoch für große Motoren muß zur Erfüllung seiner Aufgabe der Kondensator wesentlich vergrößert werden, so daß dessen Installation für große Motorenanlagen weniger praktisch ist. Bei diesem Kühlsystem soll eine gesamte Temperatur des Motors eingehalten werden,die in beträchtlichem Ausmaß abhängig ist von der des Kühlmittles. Mit den derzeit verfügbaren Kühlmitteln hoher Sättigungstemperatur ist es wünschenswert, die Temperatur des gesamten Kühlmittels auf tieferer Temperatur zu halten und möglicherweise sogar unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels im Hinblick auf optimale Motorleistung und hohe Lebensdauer. *

Sättigungstemperatur

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dafür geeigneten Vorrichtung soll die Temperatur an jeder Stelle innerhalb des Kühlmantels entsprechend der Sättigungstemperatur des

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Kühlmittels begrenzt werden. Die Kühlmitteltemperatur innerhalb des Kühlmantels im Zylinderbereich des Motors soll über der Sattigungstemperatur von Wasser, jedoch unter der Sattigungstemperatur des Kühlmittels^bei jedem Druck des Systems gehalten werden. Schließlich soll Dampf durch lokales Sieden im Kühlmantel benachbart dem Brennkammer-Ausgang und den Abgasleitungen minimal sein, so daß in diesen Bereichen der Kühlmantel zu allen Zeiten mit flüssigem Kühlmittel gefüllt ist. Darüber hinaus soll die Kühlmanteltemperatur bei mini-0 maler Dimensionierung der Kühler ausreichend regelbar und der Kühlmittelverlust minimal sein.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein siedendes flüssiges Kühlmittel zur Anwendung gelangt, die Kondensation von Kühlmitteldampf im Kühlmantel begünstigt wird, ein unbehinderter Weg für nicht-kondensierte Gase im Kühlmantel zur Bewegung durch Konvektion zum Kondensator mit Kondensatrückleitung in den Kühlmantel vorgesehen ist, Wärme aus der flüssigen Phase des Kühlmittels durch Umpumpen durch einen Kühler abgeführt wird, der Wärmeübergang von dem flüssigen Kühlmittel an die Umgebungsluft aufgrund einer großen Temperaturdifferenz verbessert wird, der Übergang von Gasen zwischen dem Kondensator und Umgebungsluft verzögert und nur das Kühlmittel Umgebungsluft ausgesetzt wird, daß einen Dampfdruck wesentlich unter dem des Wassers besitzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein flüssiges Kühlmittel mit einer Sattigungstemperatur über etwa 132°C bei Atmosphärendruck von dem Motorkühlmantel durch einen Kühler und zurück zum Kühlmantel umgepumpt derart, daß sich in der Flüssigkeit außerhalb des Kühlmantels kein Dampf bildet infolge des Druckabfalls durch die Pumpe, und weitaus derart, daß die Kühlmitteltemperatur innerhalb Bereichen des Kopfteils des Kühlmantels, die im Schnitt oberhalb Stellen benachbart dem Kammeraustritt und den Abgasleitungen sich befinden,

unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels bei Systemdruck gehalten wird, kontinuierlich aus dem Motorkühlmantel durch in wesentlichen unbegrenzte Konvektion durch zumindest eine Ableitung aus dem oberen Bereich des Kopf-Kühlmantels im wesentlichen alle Gase mit Ausnahme der Gase, die im Kühlmantel innerhalb des Kühlmittel abgeschieden werden»entfernt einschließlich des Dampfes gebildet durch örtliches Sieden des flüssigen Kühlmittels in Bereichen in unmittelbarer Nähe des Brennkammer-Austritts und der Abgasleitungen, wobei der Hauptteil des Kopf-Kühlmantels immer mit flüssigem Kühlmittel gefüllt bleibt. Schließlich werden die Gase vom Auslaß in einen Kondensator einschließlich einer Kondensationskammer geführt, während das Kondensat aus dem Kondensator in den Kühlmantel rückgeleitet wird.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kühlmittel sind organische Flüssigkeiten, von denen einige mit Wasser mischbar sind und andere im wesentlichen nicht mischbar. Bei mit Wasser mischbaren Substanzen kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine geringe Wassermenge zugelassen werden, z.B. bis etwa 10 % oder darüber, jedoch werden die Betriebsparameter bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei minimalem Wassergehalt verbessert. Mit Wasser mischbare Kühlmittel sind z. B. Ethylenglykol, Propylenglykol, Tetrahydrofurfurylalkohol, Dipropylenglykol und deren Gemische.

Mit Wasser nicht-mischbare Kühlmittel, in denen Wasser als Verunreinigung angesehen werden kann, das jedoch nicht in den Kühlmitteln in Lösung geht, mit Ausnahme von Spuren, d.h. im allgemeinen < 1 %, sind z.B. 2,2,4-Trimethyl-l,3-pentandiolmonoisobutyrat, Dibutylxsopropanolamin und 2-Butyloctanol.

Es wird bevorzugt, das flüssige Kühlmittel vom Zylinderteil des Kühlmantels und zurück zum Kopfteil zu führen. Weitaus können alle Gase im obersten Bereich des Kondensators über ein Ablaßrohr in einen Sammelkondensator geführt werden,

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der sich an einer Stelle befindet, wo es kühler ist als im Hauptkondensator, wo die kondensierbaren Substanzen in den Gasen aus dem Sammelkondensator kondensiert und in den Hauptkondensator rückgeleitet werden. Das Kondensat > aus dem Sammelkondensator kann kontinuierlich in den Kondensator unter der Einwirkung der Schwerkraft oder von Zeit zu Zeit unter der Wirkung der Schwerkraft oder einer Siphonwirkung zum Kondensator rückgeführt werden, die induziert wird, wann immer der Druck im Sammelkondensator den Druck im Hauptkondensator übersteigt, und den Druck der Kondensatmenge übersteiqt, die rückgeleitet wird, wenn das Ablasrohr voll ist, was bei Zeiten geringer thermischer Belastung und nach Abkühlen geschieht.

Gase aus dem Sammelkondensator können an die Atmosphäre entweder durch eine offene Abblasleitung oder ein Niederdruck-Druckentlastungsventil abgegeben werden. Es kann aber auch zwischen Hauptkondensator und Sammelkondensator ein 2-Weg-Niederdruck-Druckejitlastungsventil vorgesehen werden. In diesem Fall wird die Überführung von Gasen aus dem Hauptkondensator in den Sammelkondensator unterbrochen mit Ausnahme, wenn der Druck im Hauptkondensator dem Druck im Sammelkondensator um ein vorbestimmtes Ausmaß übersteigt» und die Unterbrechung des Gasdurchgangs vom Sammelkondensator zum Hauptkondensator mit Ausnahme, wenn der Druck des Sammelkondensators den Druck im Hauptkondensator um ein vorbestimmtes Ausmaß übersteigt.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle Gase im obersten Bereich des Kondensators an die Atmosphäre abgegeben werden über eine Abgasleitung entfernt von der Zuleitung durch die Gase in den Kondensator eintreten vom tfotorkühlmantel. Die Abgabsleitung ist jedoch mit einem Druckentlastungsventil blockiert, so daß Gase nicht abgeblasen werden, außer wenn der Druck im Kondensator den Umgebungsdruck um ein vorbestimmtes Ausmaß übersteigt.

Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Vorrichtung zum Kühlen eines Verbrennungsmotors aus a) einem Kühlmantel um zumindest einen Teil der Brennkammer und der Abgabsleitung aus dem Motor enthaltend ein flüssiges Kühlmittel mit einer Sättigungstemperatur über 132°C bei Atmosphärendruck, b) einem Kühlkreis, umfassend einen Kühler und eine Pumpe für die Umleitung des Kühlmittels aus dem Kühlmantel durch den Kühler und zurück in den Kühlmantel, um die Wärme aus dem Kühler derart abzuleiten, daß im Kühlmittelkreis als Folge des Druckabfalls durch die Pumpe kein Dampf gebildet wird, und derart, daß die Temperatur des Kühlmittels im Kopf-Kühlmantel, der sich im Aufriß oberhalb des Brennkammerausgangs und der Ableitungen befindet, unterhalb der Sättigungstemperatur des Kühlmittels unter dem Druck des Systems gehalten wird, c) zumin-

dest einer Ableitung aus dem obersten Bereich des Kühlmantels zur Ableitung und Freisetzung kontinuierlich durch im wesentlichen ungehinderte Konvektion aus dem Kühlmantel im wesentlichen aller Gase einschließlich des Dampfes, der durch örtliches Sieden des Kühlmittels in Bereichen um den Brennkammerausgang und den Abgasleitungen gebildet wird, mit Ausnahme der Gase, die im Kühlmittel innerhalb des Kühlmantels kondensieren, wobei der Hauptteil des Kühlmantels im Bereich des Brennkammerausgangs und der Abgasleitungen immer mit flüssigem Kühlmittel gefüllt ist, und d) Kondensator(en) einschließlich einer Kondensatorkammer zur Aufnahme der abgeführten und freigesetzten Gase aus dem Kühlmantel und Kondensation deren kondensierbaren Bestandteile und a) Rückleitung des Kondensats aus dem (den) Kondensator(en) zu dem Kühlmantel.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzliche Merkmale oder Variationen aufweisen und zwar:

1. Kühlmittel sind die in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens genannten Substanzen;

2. das Kühlmittel wird aus dem Zylinderteil des Kühlmantels in den Kopfteil geleitet

3. der Kondensator befindet sich oberhalb der Ableitung aus dem Kühlmantel, damit das Kondensat unter der Wirkung der Schwerkraft aus dem Kondensator in den Kühlmantel gelangen kann ;

4. die aus dem Kühlmantel über die Ableitung in den Kondensator geführten Gase, die im Kondensator nicht kondensiert sind, können auf verschiedene Weise gehandhabt werden. Das ganze Kühlsystem kann geschlossen sein mit Ausnahme eines Sicherheits- oder Druckentlastungsventils, welches nur unter extremer Belastung,Umgebungstemperatur oder Höhenänderungen oder im Notfall betätigt wird, jedoch unter üblichen Bedingungen nicht aufgeht. Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Sammelkondensator vorgesehen, der mit dem Hauptkondensator verbunden ist und sich entfernt von diesem befindet, so daß er auf einer wesentlich niedereren

Temperatur als diese gehalten werden kann. Der Sammelkondensator dient zur Kondensation kondensierbarer Stoffe aus den aus dem Hauptkondensator kommenden Gase, wobei jedoch die nichtkondensierten Gase abgeblasen werden. Das Kondensat sammelt sich in dem Sammelkondensator und wird durch Schwerkraft, Pumpen oder von Zeit zu Zeit durch Schwerkraft oder Siphonwirkung, wann immer der Druck im Sammelkondensator den Druck im Hauptkondensator zusätzlich dem Kopfdruck des Kondensats im Sammelkondensator übersteigt, rückgeführt werden. Die Abblasleitung des Sammelkondensators kann auch ein Sicherheitsventil enthalten oder ein Sicherheitsventil befindet sich zwischen Hauptkondensator und Sammelkondensator.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür geeignete Vor-.15 richtung können sozusagen als Hybride einer Flüssigkeits-Umlaufkühlung und einer Siedekühlung angesprochen werden, da es gemeinsame Elemente gibt. Im Flüssigkeits-Kühlkreis wird zur Abführung der Wärme aus dem Kühlmittel dieses mit einer Temperatur unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels in den Motorkühlmantel rückgeführt. Der größte Teil der Wärme aus dem Motor gelangt an die Umgebungsluft durch Wärmeaustausch in dem Flüssigkeitskreis. In dieser Hinsicht ähnelt das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür geeignete Vorrichtung üblichen Flüssigkeits-Kühlverfahren und -Systemen.

Der bei der Ableitung der Wärme aus den heißeren Bereichen des Brennkammerausgangs und um die Abgasleitung erzeugte Dampf im Kühlmittel innerhalb des Motorkühlmantels, der in der Flüssigkeit nicht kondensiert, steigt durch Konvektion in den höheren Bereich des Kopf-Kühlmantels und wird in den Kondensator abgeführt. Die kondensierbaren Substanzen des Dampfs werden im Kondensator kondensiert und in den Kühlmantel rückgeführt. In dieser Hinsicht ähnelt das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu geeignete Vorrichtung dem Siedekühlsystem.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die hierfür geeignete Vorrichtung unterscheidet sich von einem üblichen Flüssigkeits-

Kühlkreis in einem sehr wesentlichen Punkt, nämlich daß Dampf und andere Gase aus dem obersten Bereich des Kühlmantels entfernt wird und nicht mit dem flüssigen Kühlmittel mitgenommen wird und damit umläuft. Bei einem üblichen umlaufenden Flüssigkeitssystem kann der in den heißen Bereichen des Brennkammerausgangs und um die Abgasleitungen gebildete Dampf an Ort und Stelle eingefangen werden, wo die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels relativ gering ist und wo eine geringe Möglichkeit besteht, daß der Dampf durch Konvektion entweicht, wegen des Vorhandenseins einer Zone relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit von flüssigem Kühlmittel in unmittelbarer Nähe. Solche Bereiche sind Stellen für die Bildung von Dampftaschen, die eine Sperre für einen wirksamen Wärmeübergang zwischen Metall und Kühlmittel darstellen. Das sind die Stellen, wo Überhitzungen auftreten können, die ihrerseits zum Klopfen führen. Unter hoher Belastung steigt die Dampfmenge im Kühlmantel so weit an, daß vom Kühlmittel wesentliche Dampfmengen mitgenommen werden und es zu einer Verdrängung von flüssigem Kühlmittel und etwas Dampf in das Überlaufgefäß des Systems kommt. Unter solchen Bedingungen sammelt sich der Dampf im Kühlsystem so weit an, daß die Möglichkeit besteht, daß die Wärmeableitung aus dem Motor zu einem Zeitpunkt tatsächlich herabgesetzt wird, wenn diese am nötigsten ist. Um ein Kondensieren des Dampfs bei den bekannten Kühlsystemen mit umlaufender Flüssigkeit zu bewirken, muß der Dampf aus dem Kühlmantel in den Kühler vom flüssigen Kühlmittel mitgenommen werden über einen Weg, der normalerweise im wesentlichen horizontal ist. Die Geschwindigkeit des Dampfs ist abhängig von der in mitnehmenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeits-Geschwindigkeit ist ein Funktion der Pumpenleistung und der Motorleistung. Unter Bedingungen, wenn die Dampfbildung ein nennenswerter Prozentsatz der Flüssigkeitsbewegung ist, nehmen große Dampfmengen Raum im Kühlmantel ein.

Nach der Erfindung wird die ungehinderte Freisetzung des Dampfs aus dem obersten Bereich des Kühlmantels gewährleistet, so daß

das Ausmaß» indem Dampf vom flüssigen Kühlmittel mitgenommen wird, sowohl im Kühlmantel als auch im Umlaufsystem minimal wird. Die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Flüssigkeitszirkulation ist geringer als die üblicher flüssiger Kühlsysteme und ist nicht eine Funktion der Notwendigkeit des Dampftransports. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine schnelle Freisetzung von Dampf von allen Flächen innerhalb des Kühlmantels und eine ungehinderte schnelle Strömung durch Konvenktion zur Ableitung in dem höchsten Bereich des Kühlmantels unabhängig von der Strömung des flüssigen Kühlmittels. Die Gase können den Kühlmantel verlassen, selbst wenn keine Zirkulation des flüssigen Kühlmittels stattfindet.

Der Wassergehalt des Kühlmittels soll minimal sein bei Substanzen, die mit Wasser mischbar sind, und unter etwa 1% betragen im Falle von Substanzen, die mit Wasser unmischbar sind. Die Annahme, daß ein Kühlmittel überhaupt kein Wasser enthalten kann, ist nicht realistisch, insbesondere für Substanzen, die mit Wasser mischbar sind, d.h. die alle hygroskopisch sind.

Wasser in mit diesen mischbaren Substanzen führt zur Bildung einer Lösung, die einen Siedebereich besitzt. Obwohl der Siedebeginn dieses Bereichs unterhalb dem Siedepunkt der reinen Substanz liegen kann, ist die Temperatur an den Stellen, wo ein Sieden eintreten kann, durch die Sättigungstemperatur der 5 reinen Substanz und nicht dem Siedebeginn begrenzt. Der springende Punkt hier ist, daß die Zugabe einer geringen Wassermenge zu einer reinen Substanz, die mit Wasser mischbar ist, trotz eines tieferen Siedebeginns nicht wesentlich die Temperatur in Bereichen des höchsten Wärmeflusses herabsetzt durch örtlich Destillation und lokale Reinigung der Flüssigkeit.

Ein negatives Merkmal eines breiten Siedebereichs aufgrund von Wassergehalt ist die in der Pumpe leichter auftretende Kavitation. Eine Flüssigkeit, die sich nahe der Sättigungstemperatur befindet, verdampft leicht durch einen geringen Druckabfall. Die Kavitation in Pumpen und die Verdampfung von

Kühlmittel in den Zuleitungen zur Saugseite der Pumpe treten auf, wenn die PumpeFlüssigkeit ansaugt, die sich nahe der Sättigungstemperatur befindet. Unter diesen Bedingungen wird die Zirkulation von flüssigem Kühlmittel durch den Kühler unterbrochen und das Kühlsystem beruht vollständig auf der Kondensation für die gesamte Wärmeableitung durch das Kühlsysystem. Da eine Wasserzugabe den Siedepunkt des Kühlmittels senkt, muß die Temperatur, bei der das flüssige Kühlmittel zur Verhinderung der Kavitation in der Pumpe gehalten werden muß, ebenfalls gesenkt werden. In der Praxis scheint die Kavitation der Pumpe verhindert werden zu können, wenn insgesamt die Temperatur der Flüssigkeit innerhalb des Kühlmantels in der Größenordnung von 10 K unter dem Siedebeginn des Kühlmittels liegt. Der Wunsch nach einem vernünftigen Sicherheitsabstands zeigt, daß das System so ausgelegt sein soll, daß die Gesamt-Flüssigkeitstemperatur etwa 20 K unter dem Siedebeginn des Kühlmittels liegt. Ein druckloses System für z. B. 99 %iges Propylenglykol und eine Gesamt-Kühlmitteltemperatur von oder unter 157°C dürfte eine Kavitation der Pumpe vermeiden, während ein druckloses System mit 95 %igem Propylenglykol bei oder unter einer Temperatur von 129°C gehalten werden müßte. Der Betrieb des Systems bei Flugmotoren für große Höhen, wenn das System auf niederem Druck gehalten wird, zeigt, daß die Gesamt-Flüssigkeitstemperatur etwa 30 K unter dem Siedebeginn bei Atmosphärendruck gehalten werden soll.

Es ist wesentlich, daß die als Kühlmittel verwendeten Substanzen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, die mit Wasser mischbar sind,zu einer gewissen Dampfbildung führen, wobei der Dampf im Kühlmantel nicht kondensiert und über die Ableitung zum Kondensator gelangt, wann immer die Kühlmitteltemperatur im Kcpf-Kühlmaitel über dem Siedepunkt des Wassers bei dem herrschenden Druck liegt. Je tiefer die Temperatur des Kühlmittels im oberen Teil des Kühlmantels ist, umso größer ist die darin kondensierte Dampfmenge. Trotzdem bleibt eine geringe Dampfmenge nicht kondensiert, da die Temperatur im Kühl-

mantel für eine vollständige Kondensation zu tief liegt. Dieser Restdampf wird in üblichen Kühlsystemen mit umgepumptem flüssigem Wasser/Glykol mitgenommen. Erfindungswesentlich ist die kontinuierliche Entfernung des Restdampfs im Kondensator, wodurch gewährleistet wird, daß der Hauptteil des oberen Bereichs des Kühlmantels mit flüssigem Kühlmittel gefüllt bleibt. Die Entfernung des Dampfs verbessert wesentlich den Wärmeübergang vom Metall auf das Kühlmittel.D ie Wirksamkeit des Mittels zur Wärmeableitung von dem Metall ist also nicht mehr durch Gastaschen oder mitgenommenem Dampf herabgesetzt. Auch ist es nicht mehr notwendig, hohe Pumpleistungen einzuhalten, um die Dampfhaut von den heißen Flächen wegzureißen und den Dampf in kühlere Bereiche und in den Kühler zu führen.

Das Verhalten der Kühlmittel enthaltend eine mit Wasser nicht mischbare Substanz und Wasser unterscheidet sich von Kühlmitteln einenmit Wasser mischbare Substanz und Wasser. Das nicht-gemischte Kühlmittel beginnt bei einer Temperatur etwas unter dem Siedepunkt von Wasser zu sieden. Wenn der Dampfdruck des nicht-gemischten Kühlmittels wesentlich unter dem des Wassers liegt, so enthält der Dampf fast nur Wasser. Das Wasser dampf somit ab und gelangt in den Kondensator. Nach Abdampfen des Wassers entspricht der Siedepunkt des Kühlmittels dem der Substanz. Der Dampf der Substanz, der sich in den heißen Bereichen des Kopf-Kühlmantels bildet, wird praktisch vollständig in der kühleren Flüssigkeit im Kühlmantel kondensiert. Solang die Temperatur des Kühlmittels im Kopf-Kühlmantel über dem Siedepunkt des Wassers bleibt, verdampft rücklaufendes kondensiertes Wasser aus dem Kondensator sehr schnell bei Wiedereintritt in den Kühlmantel. Es ist wünschenswert, zu Anfang das System mit einem Kühlmittel zu füllen, welches so wenig als irgend möglich Wasser enthält. Nach Füllen des Systems kann mehr Wasser in das

System gelangen durch Entlüften des Kondensators über ein Niederdruckentlastungsventil, beispielsweise 0,138 bar (2 psi) Abgesehen von dem in das System eintretende Wasser ist das Kühlmittel dann in seiner Zusammensetzung hinsichtlich eines geringen Restwassergehalts stabilisiert,der während des normalen Warmlaufens des Motors im wesentlichen im Dampfzustand vorliegt.

Bei einem Kühlmittel aus mit Wasser nichts mischbaren Substanzen kommt es kaum zu Dampfbildung, wobei der Dampf den Kopf-Kühlmantel verläßt, umsomehr als die Kondensationstemperatur des Dampfes dem Siedepunkt der Flüssigkeit entspricht. Flüssiges Kühlmittel wird kontinuierlich im Kreis geführt und Wärme im Kühler abgeleitet, um die gesamte Kühlmitteltemperatur im Motor-Kühlmantel über dem Siedepunkt zu halten.

Daher wird im allgemeinen der an den heißen Flächen gebildete Dampf des Kühlmittels in dem kälteren flüssigen Kühlmittel kondensiert.

Unter ungewöhnlichen Arbeitsbedingungen (hohe Außentemperatur und hohe Belastung) kann möglicherweise der Dampf, der nicht mischbaren Substanz des Kühlmittels nicht vollständig im Kühlmantel kondensieren und diesen verlassen und in den Kondensator gelangen, wo er kondensiert und von wo er als Kondensat in den Motor-Kühlmantel rückgeführt wird. Dies kann bei beträchtlicher Steigung oder bei plötzlichem Leerlauf nach Betrieb unter Vollast eintreten. In letzterem Fall führt eine durch den Motor angetriebene Pumpe zu einer geringeren Zirkulation im Leerlauf und die Temperatur des flüssigen Kühlmittels kann soweit während einer kurzen Zeit ansteigen,so daß der Kühlmitteldampf nicht vollständig kondensiert.

Auch kommt es bei plötzlichem Stoppen des Motors zu einem Abkühlvorgang, bei dem keine Flüssigkeit umläuft. Die heißen Metalle speichern eine beträchtliche Wärmemenge, die auf das

Kühlmittel übertragen wird. Während einer kurzen Zeit z.B. bis 5 min.entwickelt sich Dampf des Kühlmittels; dieser gelangt in den Kondensator^ kondensiert dort und das Kondensat geht in den Motor (-Kühlmantel) zurück. Während des Abkühlens gewährleistet das freie Entweichen des Dampfes aus dem obersten Gebiet des Kühlmantels eine wirksame Kühlung des Motors durch Aufrechterhaltung der Hauptteile des Kühlmantels nahe der heißen Metallflächen in Berührung mit flüssigem Kühlmittel, so daß schwere Wäremspannungen, die zu einem Riß im Kopf und in der Kopfdichtung führen können, vermieden werden. Das System verhindert den zyklischen Aufbau und Abführung von Dampftaschen, die schnelle und beträchtliche Änderungen der Metalltemperaturen der Brennkammer-Auslässe und Abgasleitungen ermöglichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine wesentliche Funktion des Kondensators, die Änderungen des scheinbaren Kühlmittelvolumens zwischen den Bedingungen in der Kälte und in der Wärme auszugleichen. Diese Änderungen bewegen sich in der Größenordnung von 10 bis 15 %. In üblichen Kühlsystemen mit Zwangsumlauf einer Flüssigkeit wird die Dehnung teilweise durch überlauf des Kühlmittels in ein Überlaufgefäß und teilweise durch Kompression mitgenommener Gase ausgeglichen. Nach der Erfindung bewirkt die Expansion:

(1) einen Anstieg des Niveaus des flüssigen Kühlmittels in 5 der Dampfableitung und, abhängig von der Konstruktion im unteren Teil des Kondensators und

(2) ein Freisetzen des Dampfs aus dem flüssigen Kühlmittel_? der in den Kondensator gelangt, wo der Dampfdruck durch Expansion,Abkühlen und Kondensation tief gehalten wird.

Die oben erwähnten als Kühlmittel geeigneten Substanzen sind auch anwendbar in Kühlsystemen für Dieselmotoren, wobei hochsiedende Substanzen bevorzugt werden, da Dieselmotoren

bei höheren Zylindertemperaturen eine bessere Leistung ergeben. Es muß jedoch bei der Auslegung des Schmiersystems für hohe Temperaturen für eine wirksame FiltrierungrAnwendung von Hochtemperatur-Schmiermitteln synthetischer Provenienz und möglicherweise Ölkühlung gesorgt werden. Dieselmotoren für hohe Belastungen, wie für Lastwagen, Omnibusse und Lokomotiven,erfordern normalerweise sowieso ausgeklügelte Schmiersysteme.

Die bisher durchgeführten Entwicklungsarbeiten und Unter-TO suchungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen den Schluß zu, daß es hinsichtlich der Siedepunkte der als Kühlmittel verwendeten Substanzen für mit Zündkerzen gezündete Benzinmotoren obere Grenzwerte gibt. Für Benzinmotoren konnten bisher Ethylenglykol, Propylenglykol und Tetrahydrofurfurylalkohol bestätigt werden. Dipropylenglykol und die drei nicht mischbaren Substanzen, die oben angegeben worden sind, haben Siedepunkte, die für Zündkerzen gezündete Benzinmotoren nach den bisherigen Kenntnissen zu hoch liegen.

Wasser ist ein unerwünschter Bestandteil der Kühlmittel für das erfindungsgemäße Verfahren. Je höher der Wassergehalt um so größer die Dampfmenge, die aus dem Kühlmantel in den Kondensator geführt werden muß/ und um so größer muß die Aufnahmefähigkeit des Kondensators für diese Dampfmenge sein. Wasser ist Anlaß für Korrosion, Errosion und Ablagerungen im Kühlsystem des Motors, insbesondere wenn die Motorteile aus Aluminium bestehen.

Alle oben angegebenen Kühlmittel haben ausreichende Stockpunkte (Schmelzpunkte) auch für sehr kalte Klimata mit Ausnahme von Ethylenglykol, dessen Stockpunkt bei -12,7°C liegt. Es ist bekannt, daß die Zugabe einer geringen Wassermenge zu Ethylenglykol den Stockpunkt weiter herabsetzt.

Gibt man Propylenglykol zu Ethylenglykol , erreicht man das gleiche, vermeidet jedoch alles·was mit der Anwesenheit von Wasser verbunden ist.

Die Hauptfunktion der Dampfableitung und -kondensation beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, daß der Dampf im höchsten Bereich des Kopfteils des Motor-Kühlmantels entweichen kann und zwar so frei als irgend möglich, so daß der Dampfgehalt im Motor-Kühlmantel und Kühlmittelkreis minimal ist. Der Kondensator gleicht auch die Ausdehnung des Kühlmittels aus, wie oben erwähnt. Es ist wesentlich, daß soviel als irgend möglich an Kühlmitteldampf in dem Kondensatorbereich kondensiert, so daß Kühlmittelverluste aus dem System minimal sind. Der Kondensator bewirkt natürlich eine Wärmeableitung, jedoch nur in geringem Ausmaß»im allgemeinen nur etwa 5 % der gesamten durch das Kühlsystem abgeführten Wärme.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dafür geeigneten Vorrichtung ist die Möglichkeit, Verbrennungsmotoren mit einer wesentlich höheren Temperatur im Zylinder, als dies bisher möglich war, zu betreiben.

Dies stellt im Hinblick auf die wirtschaftliche Verwertung des Brennstoffs in erster Linie und geringere abzuführende Wärmemenge aus dem Motor beachtenswerte Verbesserungen dar, gleichbedeutend mit einer höheren Ausnutzung der Wärme im thermischen Bereich . Darüber hinaus ist die Verbrennung des Brennstoffs durch Verringerung der Abschreckung vollständiger und schließlich ist zu beachten, daß durch gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen oben und unten des Motors geringere Reibung und verminderter Verschleiß eintritt und schließlich eine bessere Schmierung stattfindet durch gleichmäßig hohe Temperatur über die umströmten Flächen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dafür geeigneten Vorrichtung liegt in der Verringerung der Emissionen der drei Hauptschadstoffe bei Benzinmotoren und zusätzlich vom Ruß bei Dieselmotoren durch vollständigere Verbrennung und geringere Detonation.

Sowohl der Kühler als auch der Kondensator können relativ klein bemessen sein, weil weniger Wärme aus dem Motor abgeleitet werden muß und die Temperaturdifferenz zwischen hochsiedenden Kühlmitteln und Umgebungstemperatur größer ist als für Wasser oder Wasser/Glykol und Luft.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren als Kühlmittel verwendeten organischen Substanzen mit hoher Sättigungstemperatur führen zu keiner Korrosion oder Ablagerung im Kühlmantel, Kondensator, Kühler oder einem anderen Teil des Kühlsystems. Sie können daher aus relativ preiswertem Aluminium hergestellt sein. Darüber hinaus sind die bei den bekannten Kühlsystemen mit Motorblöcken aus Aluminium beobachteten Korrosions- und Errosionsprobleme vermieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dafür geeignete Vorrichtung ist entweder für Umgebungsdruck oder geringen Überdruck, wie 0,069 bis 0,345 bar geeignet. Alle Komponenten des Kühlsystems können daher einfacher in der Konstruktion sein als die bekannten Systeme für hohen Druck und sind weniger anfällig für Leckage und Fehler.

Die geringe Dimension des Kühlers und Kondensators und die geringe benötigte Luftmenge zur Wärmeabfuhr daraus gestattet deren Anordnung an anderen Orten als den üblichen von Kühlern in Kühlsystemen mit Umpumpen des flüssigen Kühlmittels im Frontbereich des Fahrzeuges, so daß nach der Erfindung diese Bauteile eine aerodynamisch günstigere Gestaltung der Frontpartie des Fahrzeugs zulassen. Der Kühler kann angepaßt an beliebige Ausgestaltung - auch horizontal - orientiert sein.

Kondensator und Kühler können zu einer Einheit zusammengefaßt sein, wobei dann der Kondensatorteil sich über dem Kühler befindet und im Aufriß über dem Niveau des flüssigen Kühlmittels. Da eine solche Einheit kleiner wird als ein üblicher Kühler und weniger Luftströmung benötigt muß sie nicht mehr im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet sein und bietet die gleichen aerodynamischen Möglichkeiten hinsichtlich der Ausgestaltung, wie Kühler und Kondensator in getrennter Form.

Der Umlauf des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlmittelkreis ist geringer als üblich, d.h. es kann eine einfache Pumpe mit geringem Kraftbedarf angewandt werden.

Ein Kühlsystem nach der Erfindung erfordert nur einen Kühler mit 1/3 bis 1/6 der Größe üblicher Kühler für diesen Zweck. Das Volumen an Kühlmittel ist entsprechend den unterschiedlichen Kühler-Volumina wesentlich verringert. Sieht man die Tatsache, daß für Kühler und Kondensator Aluminium als Werkstoff dienen kann und die Rohre nur geringe Überdrucke auszuhalten brauchen, so gelingt es mit Hilfe der Erfindung,in beträchtlichem Umfang Gewicht und Kosten zu sparen.

Ein weiteres wünschenswertes Merkmal dieses erfindungsgemäßen Verfahrens und der dafür geeigneten Vorrichtung ist die Möglichkeit, das Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung zu der zu leiten, die in üblichen Systemen als die einzige Möglichkeit^das Kühlmittel zu pumpen,angesehen wird. In den bekannten Kühlsystemen ist es nicht wirksam,Kühlmittel außerhalb des Zylinderbereichs durch den Kühler ιχή. dann wieder zum Zylinderkopf zu pumpen. Der Grund darin ist, daß die üblichen Systeme zwangsläufig mit einer Gesamt-KühlmLtteltemperatur knapp an der Sättigungstemperatur des Kühlmittels bei dem herrschenden Druck arbeiten. Wenn Kühlmittel vom Kopf-Kühlmantel durch Zylinderbereiche einem Auslaß zugeführt wird, so durchströmt das heißeste Kühlmittel im Motor den Zylinder-

bereich. Wird als Kühlmittel frostschutzhaltiges Wasser verläßt das Kühlmittel den Zylinderbereich und tritt in die Pumpe mit einer Temperatur nahe dem Siedepunkt ein. Der Druckabfall durch die Saugwirkung der Pumpe führt zur Kavitation in der Pumpe und einer weitgehenden Beeinträchtigung oder gar Unterbrechung der Strömung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt dieses Problem nicht auf, da die Kühlmitteltemperaturen ausreichend unter dem Siedepunkt gehalten werden, um ein Verdampfen in der Pumpe oder in den Leitungen stromauf zu verhindern. Je höher die Sättigungstemperatur des Kühlmittels ist.umso leichter wird die Temperatur des Kühlmittels in einem ausreichenden Abstand unter der Sättigungstemperatur gehalten.

Wesentliche Vorteile ergeben sich durch die Möglichkeit.Kühlmittel aus dem Blockteil des Kühlmantels zum Kühler und zurück zum Kopfteil des Kühlmantels zu führen. Das den Kühler verlassende Kühlmittel hat bei Eintritt in den Kopfteil des Kühlmantels die beste Bedingung für die Kondensation des Dampfes innerhalb des Kopfteils, wo die Hauptmenge der aus dem Motor abzuleitenden Wärme anfällt, weil das Kühlmittel im Blockteil nicht überhitzt wird, wie dies der Fall ist, wenn es vom Kopfteil zurück in den Blockteil geführt wird. Das aus dem Kopfteil kommende heißere Kühlmittel überträgt diese Wärme in den Blockteil, so daß die Zylinder heißer bleiben im Gegensatz zu der umgekehrten Situation, wenn Kühlmittel vom Kühler in den Blockteil des Kühlmantels geleitet wird.

Die Erfindung wird weiter an den beiliegenden Zeichnungen erläutert. In diesen zeigt
Fig. 1 schematisch einen Querschnitt eines Motors mit dem

erfindungsgemäßen Kühlsystem und Fig. 2 schematisch eine andere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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Fig. 1 zeigt einen Kolbenmotor mit einer Ölwanne 1 unbefestigt am Boden des Motorblocks 12 mit Zylinderbohrungen 14, in denen Kolben 16 über Kolbenstangen 18 an einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) hin- und her-bewegbar sind. Ein Block-Kühlmantel 20 umgibt den Zylinder,der die Bohrung 14 begrenzt. Ein Kopfteil 22 ist am Motorblock befestigt und zwar über eine Kopfdichtung 24,um die Brennkammern von den Kühlmittelleitungen abzudichten. Innerhalb des Kopfteils 2 2 befindet sich der Kopf-Kühlmantel 26 und oben auf dem Kopf ist ein Ventildeckel 28 befestigt. Zur Vereinfachung sind Ventile und

diesen zugeordnete Bauteile sowie Zu- und Ableitungen nicht gezeigt. Der Kühlmantel für den Motorblock und den Kopf stehen über eine Vielzahl von Bohrungen 30 in der Kopfdichtung in Verbindung.

Eine Leitung 32 führt aus einer Öffnung durch den unteren Teil des Motorblocks in den Block -Kühlmantel 20 zu einem proportional-Thermostatventil 34 (PTV). Ist die Temperatur des Kühlmittels außerhalb des Block-Kühlmantels 20 relativ gering, so gestattet das Ventil 34 den Durchtritt des gesamten Kühlmittels über Leitung 36 zu der Saugseite der Pumpe 38, die entweder durch den Motor oder elektrisch angetrieben wird. Die Pumpe kann aber auch in der Leitung 32 angeordnet sein. Wenn das den Block-Kühlmantel verlassende Kühlmittel hohe Temperatur hat, führt das Ventil 34 das gesamte Kühlmittel durch Leitung 40in einen Kühler 42. Zwischen den unteren und oberen Grenzwerten des Ventils teilt dieses Teil den Kühlmittelstrom zwischen einer Um !leitung 36 und dem Kühler 42.

Das den Kühler 42 über Leitung 44 verlassende Kühlmittel wird mit Hilfe der Pumpe 38 über eine Leitung 46 dem Kopf-Kühlmantel 26 zugeführt. Befindet sich das aus dam unteren Teil des Block-Kühlmantels 20 abgeleitete Kühlmittel auf einer vorbestimmten hohen Temperatur, wird ein Gebläse 48 durch eine Fahrzeugbatterie 50 mit Hilfe eines Thermostatschalters 52 betätigt, wodurch der Wärmeaustausch im Kühler gegenüber Umgebungsluft vergrößert wird.

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Der Kühlkreis umfaßt auch ein System zur Beheizung des Fahrzeugs mit Regelventil 54 und Wärmeaustauscher 56.

Der Kühler 42 kann beliebige Konstruktion haben wie eine Anzahl von parallelen Rippenrohren. Die Rohre können relativ große Durchmesser haben und aus Aluminium bestehen, insbesondere da das erfindungsgemäß verwendete Kühlmittel Aluminium nicht korrodiert oder erodiert. Er dient nicht zum Auffangen von Gasen und damit ist es auch nicht notwendig, daß zumindest ein Teil von ihm höher liegt als der höchste Teil des Kopf-Kühlmantel Wo der Kühler angeordnet ist, ist eine Frage des Konstrukteurs. Er kann so klein sein, daß er beispielsweise hinter der vorderen Stoßstange eines Fahrzeugs angeordnet werden kann. Er läßt sich horizontal installieren.

Luft kann durchgeführt werden und das Frontteil des Fahrzeugs läßt sich aerodynamisch günstig und im Hinblick auf geringen Luftwiderstand ausgestalten. Der Kühler 42 kann zweifach sein als Wärmeaustauscher für die Raumheizung mit entsprechenden Leitungen und Regelventilen für Warmluft vom Wärmeaustauscher in den Fahrgastraum und/oder nach außen/ entsprechend den Wünschen der Fahrgäste.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf einem schnellen Umpumpen von Kühlmittel zur Verdrängung von Kühlmitteldampf aus dem Kühlmantel beruht, stehen die verschiedensten Möglichkeiten zur Einstellung der Wärmeableitung in den Flüssigkeitskreis zur Verfügung, um die gewünschte Temperatur im Motor unter variierenden Lasten und Umgebungsbedingungen aufrecht zu erhalten. So kann beispielsweise das Ventil 34 durch ein T-Stück und ein thermostatisches Drosselventil ersetzt werden entweder in Leitung 40 oder 36, um die Flüssigkeitsströmung durch den Kühler 42 zu beeinflussen. Eine andere Möglichkeit zur Beeinflussung der Kühlwirkung besteht in thermostatisch geregelten Drosseln oder Klappen in Zuleitungen zum Kühler oder in einem Kühler, dem eine relativ geringe Luftströmung, induziert durch die Fahrt des Fahrzeuges,zugeführt

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wird, die jedoch erhöht wird, wenn erforderlich, mit Hilfe eines thermostatisch geregelten Gebläses. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Anwendung einer thermostatisch regelbaren Pumpe mit variierbarer Leistung. Die entsprechende Ausgestaltung des Kühlkreises für das erfindungsgemäße Verfahren ist dem Fachmann ohne weiteres möglich. Die Tatsache, daß der Kühler kleiner dimensioniert ist und hohe Kühlwirkung besitzt wegen der hohen Temperatur des umlaufenden Kühlmittels und dem geringen Dampfgehalt sowie wegen der geringeren Notwendigkeit der Wärmeableitung, vermeidet viele von Konstruktionsbeschränkungen, die sich aus den üblichen Kühlsystemen ergeben.

In den heißeren Bereichen des Motorkopfs,wie über den Brennkammer ausl äßen und um die Abgasleitungen kann unter allen Arbeitsbedingungen des Motors mit Ausnahme des Warmlaufens etwas Kühlmittel verdampfen. Da jedoch das Kühlmittel auf einer Temperatur unter seiner Sättigungstemperatur über den Brennkammerausläßen und Abgasleitungen gehalten wird, kondensiert der Hauptanteil des an diesen heißen Flächen gebildeten Dampfs im flüssigen Kühlmittel innerhalb des Kopf-Kühlmantels. Der Anteil an in dem Kopf-Kühlmantel nicht kondensiertem Dampf hängt natürlich von der gebildeten Dampfmenge f der Gesamttemperatur des flüssigen Kühlmittels im Kopf-Kühlmantel und der Kondensationsmöglichkeiten des 5 Dampfes im Kopf-Kühlmantel ab. Ist das Kühlmittel mit Wasser mischbar und befindet sich eine geringe Wassermenge gelöst im Kühlmittel, so wird im flüssigen Kühlmittel die größte Menge an Kühlmitteldampf kondensieren, da es kühler ist als die Sättigungstemperatur des Kühlmittels und wärmer ist als die Sättigungstemperatur des Wassers; jedoch wird nicht der gesamte Dampf kondensiert. Mit Wasser mischbare Kühlmittel sind hygroskopisch, so daß ein gewisser Wassergehalt angenommen werden kann.

Mit Wasser nicht mischbare Kühlmittel sind nicht hygroskopisch und nehmen daher auch nicht Wasser aus der Umgebungs-

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luft auf und lassen sich leichter wasserfrei halten als mit Wasser mischbare Kühlmittel. Bei mit Wasser unmischbaren Kühlmitteln wird normalerweise der gesamte Kühlmitteldampf innerhalb des Kopf-Kühlmantel kondensiert. Ein eventuell vorhandener Wassergehalt verdampft bei einer Temperatur etwas unter der Sättigungstemperatur des Wassers. Der Wasserdampf zusammen mit einer geringen Menge an Kühlmitteldampf (Molverhältnis entsprechend den entsprechenden Dampfdrücken) kondensiert nicht im Kopf-Kühlmantel und gelangt in den Kondensator, wo er teilweise oder vollständig kondensiert das Kondensat geht in den Kopf-Kühlmantel zurück und verdampft neuerlich. Leitet man etwas von diesem Dampf aus dem System aus, sinkt der Wassergehalt des Kühlmittels bei nur geringen Kühlmittelverlusten. Das Molverhältnis Wasser zu 2,2,4-Trimethyl-l,3-pentandiolmonoisobutyrat beträgt z.B. 450 : 1 .

Wann immer im flüssigen Kühlmittel des Kopf-Kühlmantel nicht kondensierter Dampf durch Konvektion zu den obersten Bereichen des Kopf-Kühlmantel aufsteigt, kann er über eine oder mehrere Abblasleitungfen) 60 entfernt werden. Der Kopf-Kühlmantel soll die Bewegung des Dampfs in höhere Bereiche erleichtern soweit als möglich, so daß der Dampf aus dem Kopf-Kühlmantel über die Abblasleitungfen) 60 leicht entfernt werden kann.

Dieser abgeblasene Dampf gelangt aus der Abblasleitung 60 über eine Leitung 62 in einen Kondensator 64. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich dieser Kondensator über dem Kopf-Kühlmantel in allen Richtungen des Motors bei normaler Anwendung, so daß das Kondensat aus dem Kondensator unter der Wirkung der Schwerkraft entweder durch eine(nicht gezeigte) Rücklaufleitung oder durch die gleiche Leitung 62, über welche der Dampf zum Kondensator gelangte, rückgeleitet

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wird. Die Leitung des Kondensats in den Kühlmantel kann auch dazu dienen, Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreis, wie in Fig. 1 gezeigt, zum Motor zurückzuleiten. Es ist aber auch möglich, die Rückleitungen für umgepumptes Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreis zum Motor getrennt von den Rückleitungen für das Kondensat vorzusehen.

Die Ausgestaltung des Kondensators 64 kann sehr unterschiedlich sein. Gute Ergebnisse erhält man mit Metallgefäßen, die eine relativ uneingeschränkte Bewegung des Dampfs zur Erleichterung des Kontakts mit den Wänden ermöglicht, zusammen mit dem Wunsch ,irgendwelche Beeinträchtigungen der Dampfbewegung gering zu halten, wenig Dampf zurück in den Kopf"Kühlmantel zu lassen und etwas gehindert, den Kühlmantel zu verlassen, sollte die Leitung 62 einen großen Durchmesser, z.B. 38 mm für Automotoren,haben. Der Kondensator soll derart ausgelegt sein, daß das Kondensat durch Schwerkraft zu einem Sammelpunkt strömt, von wo es zurück in den Kühlmantel des Motors geleitet werden kann. Bei einem Fahrzeug ist eine wünschenswerte Anordnung eines länglichen Kondensatorgefäßes unter der Haube längs im Motorraum,etwas von vorne nach rückwärts geneigt. Der Kondensator kann wie ein Rumpffeld des Fahrzeugs z. B. als Teil der Haube konstruiert sein.

Unabhängig von der Dampfkondensation im Kühlmantel nimmt jedes Luftvolumen über heißem Kühlmittel Kühlmitteldampf auf,bisdiesesVolumen gesättigt ist. Diese auf diese Weise abgetriebene Dampfmenge ist eine Funktion des Dampfdrucks des Kühlmittels. Je höher die Temperatur desto höher ist der Dampfdruck. Die relativ kühlen Wände des Kondensators 64 dienen nicht nur zur Kondensation des Dampfes, der durch Sieden gebildet ist, sondern auch des Dampfes, der sich an der Oberfläche des heißen Kühlmittels bildet.

Der Dampf hochmolekularer organischer Stoffe, wie sie erfindungsgemäß als Kühlmittel verwendet werden, ist schwerer als Luft. Er sinkt also anfangs in Luft ab und sammelt sich in tieferen Bereichen des Kondensators, bevor er in die Luft entweicht. Um diese Schichtung zu unterstützen/kann der Eintritt aus Leitung 62 in den Kondensator ganz unten liegen.

Im Kondensator können Leitbleche vorgesehen sein, um die Bewegung des Dampfes derart zu beeinflussen, daß der Kontakt des Dampfes mit den Kondensatorwänden verbessert und die Bewegung ankommenden Dampfes direkt zu höheren Stellen des Kondensators gering gehalten wird. Mit fortschreitender Kondensation steigt der Anteil von Wasserdampf im Restdampf. Dampf aus inderHauptsache Wasserdampf ist leichter als Luft und gelangt durch Konvektion in die oberen Teile des Kondensators .

Das scheinbare Volumen der Flüssigkeit in dem System variiert mit der Temperatur und dem Ausmaß des Siedens. Die Flüssigkeit dehnt sich aus und nicht—kondensierter Dampf verdrängt die Flüssigkeit zur Füllung eines größeren Volumens, wodurch das Flüssigkeitsniveau angehoben wird .Wie in Fig. 1 gezeigt, wird das System anfänglich mit flüssigem Kühlmittel bis auf das Niveau A gefüllt, so daß der Kühlmantel immer voll ist. Erwärmt sich das System,so dehnt sich das Kühlmittel um etwa 15 % aus und das Kühlmittelniveau steigt bis auf B in Leitung und möglicherweise sogar bis in den Kondensator, wie dies aus Fig. 1 hervorgeht.

Wirdder Kondensator nicht entlüftet, so führt das zunehmende scheinbare Flüssigkeitsvolumen zu einer Druckerhöhung im System. Wird dann auch noch im Kondensator die Luft erwärmt und steigt der Anteil an nicht-kondensiertem Kühlmittel oder Wasserdampf, so steigt der Druck weiter. Die Druckzunahme steigt gegenüber Umgebungsdruck als Funktion des Kondensatorvolumens und der mittleren Temperatur der Gase im Kondensator. Bei konstanter Höhe kann die Druckzunahme bis in die Größenordnung von 70 kPa für ein bestimmtes System ansteigen.

Höhenänderungen beeinflußen ebenfalls die Druckdifferenz zwischen dem geschlossenen System und der Umgebung. Zwischen

Meereshöhe und 3000 m sinkt der Umgebungsdruck um 31 kPa und bis 6000 m um weitere 26 kPa.

Bei der Auslegung des Systems sind diese Drucksteigerungen: a:. und Druckabfälle zu berücksichtigen. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine davon ist in Fig. 1 angedeutet. Eine Abblasleitung 66 führt aus dem oberen Bereich des Kondensators gegenüber den Dampfeintritt hinaus, wo die vorhandenen Gase in erster Linie Luft und Wasserdampf sind, während der größte Teil der Kühlmitteldämpfe am Boden des Kondensators verbleiben und an dessen Wändenkondensieren, wie oben erwähnt. Ein Zweiweg-Druckentlastungsventil 68 in Leitung 66 unterbricht den Gasdurchgang vom Kondensator 64 , bis der Druck auf einen vorbestimmten Wert,wie 0,138 bar, gestiegen ist. Dann öffnet das Ventil 68 und Gase aus dem oberen Teil des Kondensators gelangen in einen Sammelkondensator 70, das ist ein kleines Gefäß, welches so angeordnet ist, daß es immer leicht gekühlt werden kann. Die geeignetste Lage des Kondensators 64 ist in unmittelbarer Nähe des Motors. Da der Kondensator 64 normalerweise immer etwas heißes Kühlmittel enthält, haben die Kühlflächen des Sammelkondensators 70 normalerweise tiefere Temperaturen als die Kühlflächen des Kondensators 64, so daß im Sammelkondensator 70 der Restdampf aus dem Kondensator 64 kondensiert wird. Die Leitung 66 mündet in unmittelbarer Nähe des Sammelkondensators und wird abgedeckt von dem enthaltenen Kondensat. Eine offene Ableitung 72 führt aus dem oberen Bereich des Gefäßes an die Luft derart, daß die Anlage keinen Luftströmungen ausgesetzt ist, die den Atmosphärendruck in der Ableitung wesentlich beeinflußen könnten. Die kondensierbaren Stoffe werden in dem Sammelkondensator kondensiert und aufgefangen.

Das Ventil 68 ermöglicht den Übertritt der Gase von dem Kondensator in den Sammelkondensator nur in Zeiten, wenn große Dampfmengen in dem Kühlmantel des Motors gebildet werden

und der Kondensator 64 fast seine Kapazität erreicht, so daß die im Kondensator enthaltenen Gase heiß genug sind für eine Drucksteigerung, die ihrerseits zur Öffnung des Ventils 68 ausreicht. Wenn sich die Gase im Kondensator abkühlen, sinkt der Druck und_fda Gase (in erster Linie Luft und Wasserdampf) ausgetreten und abgeblasen wurden, fällt der Druck im Kondensator und damit im Kühlsystem unter Atmosphärendruck. Ventil 68 öffnet bei einem Grenzwert der Druckdifferenz, wenn der Ventildruck plus über dem Kondensat im Sammelkondensator geringer ist als die Differenz des Drucks zwischen Atmosphäre und Kühlsystem. Durch diese Nutzung der Druckänderungen im Kühlsystem können alle oder fast alle kondensierbaren Substanzen wiedergewonnen werden und dies ist wünschenswert, wenn zu erwarten ist, daß die Kapazität des Kondensators für den vom Motor gebildeten Dampf von Zeit zu Zeit erreicht wird und es wünschenswert ist, den Druck im System zu begrenzen und nicht die Kapazität des Kondensators zu erhöhen. Der Sammelkondensator kann klein sein und mit Leitblechen ausgestattet oder er ist mit Metalldraht oder fäden gefüllt, um eine große Oberfläche für eine wirksame Kondensation zur Verfügung zu stellen. Die Ableitung kann ein Luftfilter enthalten, um Staub zurückzuhalten.

Eine besondere Aufgabe des Ventils 68 ist die Herabsetzung des "Atmens" des Systems, d.h. Ein- und Austritt von Luft. Die Menge an Kühlmitteldampf, die das System im Austausch gegen Luft verläßt, hängt von der Fähigkeit des Kondensators 64 und des Sammelkondensators 70 zur Kondensation des Dampfs ab. In manchen Fällen braucht man kein Ventil 68, ohne daß es zu untragbaren Kühlmittelverlusten kommt.

Ein Entlüften des Sammelkondensators 70 - mit oder ohne Ventil 68 - ist zweckmäßig, wenn Wasserdampf aus dem System entfernt werden soll. Eine Verringerung von Wasser im

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Iß

System erlaubt die Anwendung kleinerer Kondensatoren 64. Ist das Kühlmittel mit Wasser mischbar, führt die Verringerung des Wassergehalts zu einer Erhöhung der Sättigungstemperatur des Kühlmittels und damit einer Verkleinerung des Abstands zwischen Sättigungstemperatur des Kühlmittels und der Kühlmittelsubstanz unter Verringerung der Möglichkeit einer Kavitation in der Pumpe 38. Ist das Kühlmittel mit Wasser nicht mischbar, verringert eine Wasserverminderung die Menge an Wasserdampf und Kondensat, welches zwisehen Kopf-Kühlmantel 26 und Kondensator 64 umläuft.

Durch eine relativ hohe Einstellung des Ventils 68, im allgemeinen in der Größenordnung von 6,9 bar, ist das Kühlsystem tatsächlich geschlossen mit Ausnahme bei ungewöhnlich schweren Arbeitsbedingungen oder großen Höhenunterschieden.

Auch öffnet die Ableitung aufgrund der Verwendung von Kühlmittel, die zu flüchtig sind,oder durch Versagen von Teilen, die zu einer Druckerhöhung des Kühlsystems führen, wie einem Undichtwerden der Zylinderkopfdichtung. Um nun das System bei höheren Drücken zu betreiben, müssen die Systemkomponenten einen solchen Druck aushalten. Eine Konsequenz des Betriebs unter höherem Druck ist, daß die Sättigungstemperatur ansteigt. Ein 70 kPa Druckanstieg führt zu einer Erhöhung der Sättigungstemperatur des Kühlmittels von etwa 20 K.

5 Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung ist ähnlich der der Fig. 1 mit Ausnahme, daß kein Sammelkondensator vorgesehen ist. Dafür ist der Kondensator 110 mit zusätzlicher Kondensationskapazität ausgestattet, so daß er auch die Funktion des Sammelkondensators zu erfüllen vermag. Ein Zweiwegventil für niederen Druck 112, z.B. für 35 kPa_fmit beiden Wegen in einer Ableitung 114,öffnet während des Aufwärmens und schaltet ab, um Luft entweichen oder eindringen zu lassen. Beim Warmlaufen wird Luft über die Ableitung ausgetrieben, wenn das scheinbare Flüssigkeitsvolumen ansteigt und sich die Luft im Kondensator erwärmt. Ist das System wann, ent-

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sprechend normalem Betrieb bei Umgebungsbedingungen, wird die Ableitung geschlossen und öffnet nur unter Überlast oder bei großen Höhenunterschieden. Für den Fall, daß die Ableitung, außer beim Aufwärmen, offen ist, wird doch die Hauptmenge des austretenden Gases Luft sein. Der geringe Dampfverlust wäre unbeachtlich selbst über längere Zeit und ist wahrscheinlich nicht größer, als er bei den Überlaufgefäßen bei üblichen Systemen zu erwarten ist. Die Vorrichtung nach Fig. 2 erlaubt die Vermeidung des Sammelkondensators, jedoch muß der Kondensator 110 größer sein als der für die Ausführungsform der Fig. 1 vorgesehene Kondensator 64. Die Kondensatoren der Vorrichtungen aus den Fig. 1 und 2 können auch kleiner dimensioniert werden, wenn der Wassergehalt des Kühlmittels herabgesetzt wird. Bei einem Kühlmittel, das mit Wasser nicht mischbar ist, können die Kondensatoren kleiner sein, da das Kühlmittel nicht hygroskopisch ist.

Eine Abwandlung der Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, besteht darin, das Ventil 112 thermostatisch zu regeln, um einen erhöhten Druck einzustellen,entsprechend einem Sicherheitsventil, wenn Motor und Kühlsystem warm sind. In dieser Form vereinigt es die wesentliche offene Stellung beim Aufwärmen und Abschalten eines geschlossenen Systems unter Betriebsbedingungen. Der maximale Druck kann niederer gehalten werden als in einem vollständig geschlossenen System, da die Temperatur- und Druckanstiege beim Aufwärmen abgezogen werden können von den gesamten Änderungen hinsichtlich Temperatur und Druck bei Spitzenlast.

Abgesehen von den Möglichkeiten der Bewältigung von Temperatur/Druck-Änderungen in dem System, arbeiten obige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf gleiche Weise. Flüssiges Kühlmittel wird kontinuierlich aus dem Blockbereich des Kühlmantels durch einen Kondensator oder

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eine Umgehungsleitung zum Aufwärmen und für geringe Leistung bei kaltem Wetter und zurück in den Kopfteil des Kühlmantels bei einer Temperatur unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels so umgepumpt, daß an den heißen Metallflächen des Brennkammeraustritts und um die Abgasleitungen gebildeter Dampf im flüssigen Kühlmittel kondensiert. Der Restdampf gelangt in den höchsten Bereich und wird in dem Kondensator kondensiert. Das Kondensat gelangt zurück in den Kühlmantel.

Das System sollte so ausgestaltet sein, daß flüssiges Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreisjrückgeführt in den Kühlmantel eine ausreichend hohe Temperatur besitzt, um die Vorteile dieses Betriebs des Motors bei vergleichsweise hoher Gesamttemperatur, wie oben beschrieben, ausnützen zu können, jedoch tief genug, um die Dampfkondensation im Kopf-Kühlmantel zu ermöglichen und die Temperatur des Kühlmittels tief genug zu halten in dem Teil des Kühlmittelkreises stromauf der Pumpe, um in dieser Kavitation zu vermeiden.

In den Zeichnungen sind vertikal angeordnete Kolbenmotoren gezeigt. Das erfindungsgemäße Kühlsystem eignet sich natürlich auch für Motoren, deren Zylinderachsen schräg zur Vertikalen oder Horizontalen liegen. In jedem Fall steigt der Dampf in den höchsten Bereich des Kühlmantels und die Dampfauslasse sich entsprechend anzuordnen. Das erfindungsgemäße System eignet sich auch für Drehkolbenmotoren (Wankelmotoren). Das oben Gesagte zum Kopf-Kühlmantel gilt für den ummantelten Bereich um Verbrennungs- und Abgasteile des Wankelmotors, während das, was zum Block-Kühlmantel gesagt ist, für die ummantelten Bereiche der Spülkammern gilt. Schließlich läßt sich das erfindungsgemäße System auch für einen Motor anwenden, von dem nur der Kopf gekühlt ist oder bei dem nicht alle Zonen der Zylinderwände mit flüssigem Kühlmittel gekühlt werden müssen.

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Bei den in den Figuren gezeigten Vorrichtungen werden die bevorzugt, deren Kondensator oberhalb des Motors angeordnet ist, so daß das Kondensat durch Schwerkraft rückgeleitet wird. Wenn nötig, kann jedoch der Kondensator auch unterhalb des höchsten Kühlmittelniveaus sein und das Kondensat muß dann rückgepumpt werden. Das Design eines solchen Systems sollte in der Dampfableitung über dem Kopf ein Volumen vorsehen zur Aufnahme des Niveauanstiegs des Kühlmittels und zur Verringerung einer Beeinträchtigung der Dampfströmung in der Leitung zu dem Kondensator. Für das Kondensat reicht eine langsam laufende Pumpe mit geringer Förderleistung aus.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 befindet sich der Sammelkondensator 70 unterhalb des Kondensators 46, so daß durch siphonartige Wirkung das Kondensat in den Kondensator 64 gelangt. Der Sammelkondensator kann aber auch über dem Kondensator 64 liegen, so daß das Kondensat unter seinem Gewicht rückfließt.

Der Verdampfungs- und Kondensationskreis funktioniert noch 0 nach Abstellen des Motors. Ein Teil der Metalle im Zylinderkopf in Berührung mit dem Kühlmittel kann sich auf einer Temperatur über der Sättigungstemperatur des Kühlmittels befinden und das Sieden dauert an, bis die Metalltemperatur die Sättigungstemperatur des Kühlmittels erreicht. 5 Wird die Umwälzpumpe vom Motor angetrieben oder wird auf andere Weise bei Abstellen des Motors gestoppt, so kann die Temperatur des Kühlmittels im Kopf-Kühlmantel bis zur Sättigungstemperatur ansteigen. Dadurch wird weniger Dampf durch das Kühlmittel kondensiert und eine größere Dampfmenge gelangt in den Kondensator. Obwohl die im Motor bei Temperaturen über der Sättigungstemperatur des Kühlmittels gespeicherte Wärmeenergie nicht groß ist im Vergleich zu der Wärmeenergie, die während des Betriebs des Motors an das Kühlmittel ab-

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gegeben wird, so bildet sich doch durch Sieden während des Abkühlens eine beträchtliche Dampfmenge. Der Kondensator sollte daher eine ausreichende Kapazität besitzen, um den Dampf, der während des Abkühlens gebildet wird, zu kondensieren, ebenso wie den, der bei laufendem Motor gebildet wird. Hat die Pumpe ausreichende Kapazität für die Umwälzung des Kühlmittels während des Abkühlens, so kann die Kühlmitteltemperatur unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels gehalten werden und die Dampfmenge für den Kondensator während des Abkühlens wird beträchtlich verringert.

8127

- Leerseite -

Claims

Ansprüche

1
a)

10

b)

15

c)

Verfahren zum Kühlen eines Verbrennungsmotors

durch mechanisches Umwälzen eines flüssigen Kühlmittels mit einer Sättigungstemperatur über etwa 132°C bei Atmosphärendruck aus einem Motorkühlmantel durch einen Kühler und zurück in den Kühlmantel ohne Dampfbildung außerhalb des Kühlmantels durch Druckabfall einer Umwälzpumpe, wobei die Temperatur des Kühlmittels im Kopfbereich des Kühlmantels, der sich im Aufriß knapp über dem Brennkammerausgang und der Abgasleitung befindet, auf unter der Sättigungstemperatur des Kühlmittels bei dem herrschenden Druck gehalten wird;

indem aus dem Kühlmantel durch im wesentlichen ungehinderte Konvektion über zumindest eine Ableitung aus dem oberen Bereich des Kopfkühlmantels im wesentlichen alle Gase, außer denen, die im Kühlmittel des Kühlmantels kondensieren, einschließlich Dampf, gebildet durch örtliches Sieden des Kühlmittels in unmittelbarer Nähe des Brennkammerausgangs und der Abgasleitungen, wobei der Hauptteil des Kopfkühlmantels immer mit flüssigem Kühlmittel gefüllt bleibt;

indem Gase von der Ableitung in einen oder mehrere Kondensatoren)geführt werden und

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d) indem das Kondensat aus dem oder den Kondensator(en) in den Kühlmantel rückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man als Kühlmittel zumindest eine mit Wasser mischbare Substanz verwendet, deren Dampfdruck unterhalb dem des Wassers liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kühlmittel Ethylenglykol, Propylenglykol, Tetrahydrofurfurylalkohol und/oder Dipropylenglykol verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man als Kühlmittel zumindest eine mit Wasser im wesentlichen unmischbare Substanz verwendet, deren Dampfdruck unterhalb dem von Wasser liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß man als Kühlmittel 2,2,4-Trimethyl-1,3-pentandiolmonoisobutyrat, Dibutylisopropanolamin und/oder 2-Butyloctanol verwendet.
6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß man das Kühlmittel vom Zylinderbereich des Kühlmantels zum Kopfbereich des Kühlmantels umwälzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet , daß man das Kondensat kontinuierlich 5 aus dem Kondensator in den Kühlmantel unter der Wirkung der Schwerkraft rückleitet.
8. Verfahren nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet , daß man die Gase aus dem obersten Be-

reich des Kondensators in einen Sammelkondensator leitet, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht und sich an einem Ort befindet, daß er kühler ist als der Kondensator! und man die im Sammelkondensator kondensierten Gase in den Kondensator rückleitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß man den Übertritt der Gase vom Kondensator in den Sammelkondensator unterbricht, außer wenn der Druck im Kondensator den Druck im Sammelkondensator um einen vorbestimmten Wert übersteigt, mit Hilfe eines Druckentlastungsventils zwischen Kondensator und Sammelkondensator und man den Übertritt des Kondensats und der Gase aus dem Sammelkondensator in den Kondensator unterbricht, außer wenn der Druck im Sammelkondensator plus einem Überdruck über dem Kondensat den Druck im Kondensator um einen vorbestimmten Wert überschreitet.mit Hilfe eines zweiten Druckentlastungsventils zwischen Kondensator und Sammelkondensator.
10. Verfahren nach Anspruch 1 - 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß man die Gase aus dem obersten Bereich des Kondensators an die Luft ableitet, wenn

der Druck im Kondensator den Umgebungsdruck um einen vorbestimmten Wert übersteigt, und Luft in den Kondensator einleitet, wenn der Umgebungsdruck den

Druck innerhalb des Kondensators um einen vorbestimmten Wert übersteigt.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 - 10, umfassend

a) einen Kühlmantel (20, 26) um zumindest einen Teil der Brennkammer und Abgasleitung des Motors für die Aufnahme des Kühlmittels;

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b) einen Kühlmittelkreis, enthaltend einen Kühler (42) und eine Pumpe (38) für die Umwälzung des Kühlmittels aus dem Kühlmantel durch den Kühler und zurück in den Kühlmantel;

c) zumindest eine Ableitung (60) aus dem höchsten Bereich des Kühlmantels;

d) einen Kondensator (64 ) zur Kondensation der über die Ableitung (60) herangeführten Gase und

e) eine Rückleitung (62 ) für das Kondensat aus dem Kon-ο densator in den Kühlmantel.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelkreis so ausgestaltet ist, daß das Kühlmittel aus dem Blockteil (20) in den Kopfteil (26) des Kühlmantels geführt wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (64 , 110) oberhalb der Ableitung aus dem Kühlmantel angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 - 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (64, 110) eine Ableitung (66 bzw. 114) an der höchsten Stelle besitzt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Kondensator (64) ein Sammelkondensator (70) vorgesehen ist und die Ableitung

(66) beide verbindet und an der tiefsten Stelle des Sammelkondensators mündet und schließlich der Sammelkondensator oben eine Ableitung (72) an die Atmosphäre aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein erstes Druckentlastungs-

ventil (68) zwischen Kondensator (64 ) und Sammelkondensator (70) und ein zweites Druckentlastungsventil (68) zwischen Sammelkondensator (70) und Kondensator (64) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß ein äußeres Druckentlastungsventil (112) zwischen der Ableitung (114) und der Atmosphäre vorgesehen ist.