Flüssigkeitskühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitssystem für eine durch einen Turbolader (2) aufgeladene Brennkraftmaschine (1), wo­bei der Turbolader über eine Vorlaufleitung (4) und eine Rücklaufleitung (6) mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftma­schine verbunden ist und im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Zwangsumlaufkühlung erfolgt, sowie das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter (8) für die Kühlflüssigkeit aufweist.
Um sicherzustellen, daß die Kühlung des Turboladers nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine ohne Zuhilfenahme einer nachlaufenden Umwälzpumpe mit einem hohen Wirkungsgrad er­folgt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich in der Vorlaufleitung des Turboladers ein Rückschlagventil (5) be­findet und die Rücklaufleitung des Turboladers verzweigt aus­gebildet ist, in eine erste Leitung (10), die oberhalb des Kühlmittelspiegels (12) in den Ausgleichsbehälter mündet sowie eine zweite Leitung (11), die unterhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet und ein Rückschlagventil (7) enthält.
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem führt ein Abschalten der Brennkraftmaschine dazu, daß das Kühlmittel im Turbolader auf­geheizt wird, verdampft und die dampfförmige Phase die flüs­sige Kühlmittelphase mehr oder weniger in den Ausgleichsbe­hälter ausstößt. Dies führt zu einem Druckunterschied am Rück­schlagventil der Vorlaufleitung, so daß Kühlflüssigkeit aus dem System durch die Vorlaufleitung (4) zum Turbolader (2) nachläuft. Der zyklische und schubweise Vorgang endet erst, wenn das Lager des Turboladers auf Kühlmittelsiedetemperatur abgekühlt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitskühlsystem für eine durch einen Turbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader über eine Vorlaufleitung und eine Rücklauf­leitung mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist und im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Zwangsumlauf­kühlung erfolgt, sowie das Kühlsystem einen Ausgleichsbehälter für die Kühlflüssigkeit aufweist.

[0002] Bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen finden in zunehmen­dem Maße Turbolader mit flüssigkeitsgekühlten Lagergehäusen Verwendung, um eine Verkokung des Öls im Lager des Turbo­laders zu verhindern. Während im Motorbetrieb das Kühlmittel durch eine Pumpe umgewälzt wird, muß nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine durch eine geeignete Thermosyphonwirkung oder eine nachlaufende elektrische Pumpe die Flüssigkeit um­gewälzt werden, um einen Hitzestau bei Nachhitze zu vermeiden. Die Thermosyphonwirkung zu erzielen ist aber wegen ungünstiger Temperaturgefälle oft schwierig, elektrische nachlaufende Flüssigkeitspumpen erfordern temperaturfeste Materialien, elektrische Leitungen und Schaltrelais und sind damit aufwen­dig und teuer.

[0003] Aus der DE-OS 34 07 521 ist ein Flüssigkeitskühlsystem der genannten Art bekannt, bei dem neben dem Kühlkreislauf für die Brennkraftmaschine ein weiterer Kühlkreislauf für den Turbolader vorgesehen ist. Die Vorlaufleitung des Turboladers ist mit dem Ausgang eines dem Kühlkreislauf für die Brenn­kraftmaschine zugeordneten Kühlers verbunden und es mündet die Rücklaufleitung des Turboladers kurz vor der dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine zugeordneten Umwälzpumpe in die Rück­laufleitung der Brennkraftmaschine. Über eine Zweigleitung ist die Vorlaufleitung des Turboladers mit einem geodätisch höherliegenden Wärmetauscher verbunden, eine weitere Zweig­leitung verbindet die Rücklaufleitung des Turboladers mit dem Wärmetauscher. Als Wärmetauscher findet ein Ausgleichsbehälter für das temperaturbedingte, unterschiedliche Volumen der Kühl­flüssigkeit Verwendung. Der Ausgleichsbehälter ist bis zu einem bestimmten Niveau mit Kühlflüssigkeit gefüllt, unter­halb dieses Niveaus münden die beiden Zweigleitungen in den Ausgleichsbehälter. In die den Ausgleichsbehälter mit der Rücklaufleitung des Turboladers verbindende Zweigleitung ist ein Rückschlagventil eingesetzt, welches ausschließlich eine Durchströmung dieser Zweigleitung in Richtung des Ausgleichs­behälters gestattet. Anstelle des Rückschlagventiles kann in die Zweigleitung auch ein fernschaltbares Magnetventil einge­baut sein. Im Betrieb der Brennkraftmaschine durchströmt die Kühlflüssigkeit den ersten, der Brennkraftmaschine zugeordneten Kühlkreislauf sowie den zweiten, dem Turbolader zugeordneten Kühlkreislauf. Das Rückschlagventil verhindert dabei, daß Kühlflüssigkeit vom Ausgleichsbehälter durch die der Rücklauf­leitung des Turboladers zugeordnete Zweigleitung unter Umgehung des Turboladers in dessen Rücklaufleitung überfließen kann. Nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine und damit der Um­wälzpumpe tritt ein Druckausgleich im gesamten Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine ein, womit die Zwangsumlaufkühlung beendet ist. Die heiße Kühlflüssigkeit des Turboladers kann dann durch dessen Rücklaufleitung und die dieser zugeordnete Zweigleitung zu dem Ausgleichsbehälter hochsteigen, kühlt sich in ihm ab und fließt durch die Vorlaufleitung zum Turbo­lader zurück. Die Kühlung des Turboladers erfolgt damit nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine ausschließlich durch Thermosyphonwirkung mit dem eingangs beschriebenen Nachteil.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flüssigkeits­kühlsystem der genannten Art zu schaffen, welches sicher­stellt, daß die Kühlung des Turboladers nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine ohne Zuhilfenahme einer nachlaufenden Umwälzpumpe mit einem gegenüber dem Wirkungsgrad bei der Thermosyphonströmung wesentlich verbesserten Wirkungsgrad erfolgt.

[0005] Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß sich in der Vorlauflei­tung des Turboladers ein Rückschlagventil befindet und die Rücklaufleitung des Turboladers verzweigt ausgebildet ist, in eine erste Leitung die oberhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet sowie eine zweite Leitung, die unterhalb des Kühlmittelspiegels in den Ausgleichsbehälter mündet und ein Rückschlagventil enthält.

[0006] Bei dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitssystem wird im Betrieb der Brennkraftmaschine das Kühlmittel durch die Kühlmittel­pumpe befördert und fließt durch die Vorlaufleitung des Turbo­laders in dessen Lagergehäuse, wo es dessen Lager kühlt und von dort durch die Rücklaufleitung des Turboladers zurück an diejenige Stelle des Kühlsystems gelangt, wo die erhitzte Kühlflüssigkeit abgekühlt wird, um erneut dem Kühlprozeß zu­geführt zu werden. Wird hingegen die Brennkraftmaschine ab­geschaltet, so heizt die Nachhitze des Turboladers die Kühl­flüssigkeit im Lager bis zum Siedepunkt auf. Dadurch entsteht im Lager Dampf, der die Flüssigkeit in der Rücklaufleitung und von dort ausgehend in der ersten Leitung, die oberhalb des Kühlmittelspiegels endet sowie der zweiten Leitung, die unterhalb des Kühlmittelspiegels endet, vor sich her in den Ausgleichsbehälter drückt. Hierzu muß die Rücklaufleitung eng genug gewählt werden, damit der Dampf, der nahezu explosions­artig entsteht, die Kühlmittelsäule in der Rücklaufleitung und der ersten sowie zweiten Leitung vor sich hertreiben kann. Nach diesem Vorgang läuft die Kühlflüssigkeit in die Rücklaufleitung zurück in den Turbolader bzw. es kondensiert der Dampf in der Rücklaufleitung. Jedoch ist der Flüssigkeits­stand in der Rücklaufleitung nun um die bereits in den Aus­gleichsbehälter beförderte Kühlmittelmenge geringer, da diese weder durch die oberhalb des Kühlmittelspiegels endende erste Leitung noch wegen des Rückschlagventils durch die unterhalb des Kühlmittelspiegels endende zweite Leitung zurückfließen kann. So entsteht am in der Vorlaufleitung des Turboladers angeordneten Rückschlagventil wegen der unterschiedlichen Flüssigkeitsniveaus im Vorlaufkühlsystembereich und im Rück­laufkühlsystembereich ein Druckunterschied Δp, infolgedessen kann kältere Kühlflüssigkeit durch das Rückschlagventil bis zum Druckausgleich nachfließen.

[0007] Dieser Vorgang - aufheizen, verdampfen, ausstoßen von Flüssigkeit in den Ausgleichsbehälter, nachlaufen aus dem System - läuft nicht gleichmäßig und kontinuierlich ab sondern zyklisch und schubweise. Er endet, sobald das Lager des Turboladers Kühlmittelsiedetemperatur erreicht hat. Dies ist ausreichend, um das in der Lagerung befindliche Öl am Verkoken zu hindern. Danach kann die normale Thermo­syphonwirkung einsetzen.

[0008] Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzel­merkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfin­dungswesentlich sind.

[0009] In den Figuren 1 bis 5 ist die Erfindung und deren Wirkungs­weise an einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt, ohne auf diese Ausführungsform beschränkt zu sein. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsge­mäßen Flüssigkeitskühlsystems und

Figuren 2, 3, 4 und 5 entsprechende Darstellungen des Kühlsystems bei unter­schiedlichen Betriebszuständen.

[0010] Die Figur 1 verdeutlicht den Aufbau des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlsystems. An einer Brennkraftmaschine 1 ist ein Turbolader 2 angebracht, der ein wassergekühltes Lager­gehäuse 3 hat. Dieses ist mit einer Vorlaufleitung 4 und einer Rücklaufleitung 6 mit dem Kühlsystem der Brennkraft­maschine 1 verbunden. Deren Kühlsystem ist vereinfacht dar­gestellt, eine Vorlaufleitung 9 führt zu den entsprechenden Kühlelementen der Brennkraftmaschine 1, die Rücklaufleitung der Brennkraftmaschine stellt bei der vereinfachten Darstel­lung gemäß Figur 1 gleichzeitig die Vorlaufleitung 4 des Turboladers 2 dar. In der Vorlaufleitung 4 befindet sich ein Rückschlagventil 5, das nur eine Durchströmung der Vor­laufleitung von der Brennkraftmaschine 1 zum Turbolader 2 hin gestattet. Die Rücklaufleitung 6 ist geteilt in eine erste Leitung 10, die oberhalb des Kühlmittelspiegels 12 in einen Ausgleichsbehälter 8 mündet, sowie eine zweite Leitung 11 , die unterhalb des Kühlmittelspiegels 12 in den Ausgleichs­behälter 8 mündet. Die zweite Leitung 11 weist ein Rückschlag­ventil auf, das nur eine Durchströmung der Rücklaufleitung 6 vom Turbolader 2 zum Ausgleichsbehälter 8 gestattet.

[0011] Beim normalen Betrieb der Brennkraftmaschine, dargestellt in der Figur 2, wird das Kühlmittel, worunter in aller Regel Kühlwasser zu verstehen sein wird, durch eine nicht näher dargestellte Wasserpumpe im Kreislauf durch die Vorlaufleitung 9 der Brennkraftmaschine 1 durch die entsprechenden Kühlele­mente der Brennkraftmaschine 1 zur Vorlaufleitung 4 des Turbo­laders 2 gefördert, und von dort durch dessen Lagergehäuse 3 zwecks Kühlung des Lagers des Turboladers 2, schließlich ge­langt das Kühlwasser vom Turbolader 2 durch die Rücklauflei­tung 6 und die zweite Leitung 11 zurück in den Ausgleichsbe­hälter 8 und von dort erneut in die Vorlaufleitung 9 der Brennkraftmaschine 1. Die das Kühlmittel fördernde Pumpe ist dabei zweckmäßig in der Vorlaufleitung 9 der Brennkraftma­schine 1 angeordnet, im Kühlkreislauf befindet sich darüber hinaus der eigentliche Kühler für die Kühlflüssigkeit, der gleichfalls zweckmäßig der Vorlaufleitung 9 der Brennkraft­maschine 1 zugeordnet ist. Auf die Darstellung der Wasser­pumpe und des Kühlers wurde deshalb verzichtet, weil die erfindungsgemäße Ausbildung des Flüssigkeitskühlsystems weniger im Bezug zum normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 zu sehen ist, sondern vielmehr auf die Kühlung nach dem Abschal­ten der Brennkraftmaschine 1 abzielt, also auf einen Betriebs­zustand des Flüssigkeitskühlsystems, bei dem die Pumpe und der Kühler außer Wirkung sind.

[0012] Bei abgeschalteter Brennkraftmaschine 1 ist der Zwangsumlauf des Kühlwassers unterbrochen und es heizt die Nachhitze des Turboladers 2 das Kühlmittel im Lagergehäuse 3 bis zum Siede­punkt auf. Dadurch entsteht - wie aus der Darstellung der Figur 3 zu ersehen ist - im Lagergehäuse 3 Dampf. Dieser schlagartig entstehende Dampf drückt das Wasser in der Rück­ laufleitung 6 vor sich her und sowohl durch die erste Leitung 10 als auch durch die zweite Leitung 11 in den Ausgleichsbe­hälter 8. Voraussetzung hierfür ist, daß der Leitungsquer­schnitt der Rücklaufleitung 6 gering genug gewählt ist, um es somit dem Dampf zu ermöglichen, die Kühlmittelsäule in der Rücklaufleitung 6 sowie den beiden Leitungen 10 und 11 vor sich herzutreiben. Das Rückschlagventil 5 in der Vor­laufleitung 4 des Turboladers 2 verhindert, daß Wasser bzw. Dampf unmittelbar vom Turbolader 2 zur Brennkraftmaschine 1 zurückströmt.

[0013] Anschließend läuft das nicht in den Ausgleichsbehälter 8 ge­drückte restliche Wasser in der Rücklaufleitung 6 zurück zum Turbolader 2 bzw. es kondensiert der Dampf in der Rücklauf­leitung 6. Wie der Darstellung der Figur 4 zu entnehmen ist, stellt sich ein Wasserstand der Rücklaufleitung 6 ein, der um die bereits in den Ausgleichsbehälter 8 beförderte Kühl­mittelmenge niedriger ist, da diese weder durch die oberhalb des Kühlmittelspiegels 12 endende erste Leitung 10 noch wegen des Rückschlagventiles 7 durch die unterhalb des Kühlmittel­spiegels 12 endende zweite Leitung 10 zurückfließen kann. So entsteht, wie in Figur 4 gezeigt, wegen der unterschied­lich hohen Wassersäulen am Rückschlagventil 5 der Druckunter­schied Δp. Wegen dieses Druckunterschiedes läuft frisches Kühlmittel durch die Vorlaufleitung 4 am Rückschlagventil 5 vorbei bis zum Druckausgleich nach, dieser Zustand ist in Figur 5 gezeigt.

[0014] Der Vorgang - aufheizen, verdampfen, ausstoßen von Wasser in den Ausgleichsbehälter 8, nachlaufen aus dem System - läuft nicht gleichmäßig und kontinuierlich ab, sondern zyklisch und schubweise. Er endet, sobald das Lagergehäuse 3 Kühlmittelsiedetemperatur erreicht hat.

Bezugszeichenliste

[0015] 

1 Brennkraftmaschine

2 Turbolader

3 Lagergehäuse

4 Vorlaufleitung

5 Rückschlagventil

6 Rücklaufleitung

7 Rückschlagventil

8 Ausgleichsbehälter

9 Vorlaufleitung

10 erste Leitung

11 zweite Leitung

12 Kühlmittelspiegel

Ansprüche

1. Flüssigkeitskühlsystem für eine durch einen Turbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, wobei der Turbolader über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine verbunden ist und in Betrieb der Brennkraftmaschine eine Zwangsumlauf­kühlung erfolgt sowie das Kühlsystem einen Ausgleichsbe­hälter für die Kühlflüssigkeit aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Vorlaufleitung (4) des Turboladers (2) ein Rückschlagventil (5) befin­det und die Rücklaufleitung (6) des Turboladers (2) ver­zweigt ausgebildet ist, in eine erste Leitung (10), die oberhalb des Kühlmittelspiegels (12) in den Ausgleichs­behälter (8) mündet sowie eine zweite Leitung (11), die unterhalb des Kühlmittelspiegels (12) in den Ausgleichs­behälter (8) mündet und ein Rückschlagventil (7) enthält.

2. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) eine Vorlauflei­tung (9) und eine Rücklaufleitung aufweist, wobei die Vorlaufleitung (9) unterhalb des Kühlmittelspiegels (12) mit dem Ausgleichsbehälter (8) verbunden ist und die Rücklaufleitung die Vorlaufleitung (4) des Turboladers (2) darstellt.

3. Flüssigkeitskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitskühlsystem eine den Zwangsumlauf bewirkende Pumpe aufweist.

Zeichnung