DE1276409B

DE1276409B - Liquid-cooled internal combustion engine

Info

Publication number: DE1276409B
Application number: DED43095A
Authority: DE
Inventors: Dr Gerhard Dickel
Original assignee: GERHARD DICKEL DR
Current assignee: GERHARD DICKEL DR
Priority date: 1963-12-05
Filing date: 1963-12-05
Publication date: 1968-08-29

Description

Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine Die vorliegende Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, insbesondere Fahrzeugbrennkraftmaschine, mit einem den Kühlmantel der Maschine und einen Kühler umfassenden Kühlflüssigkeitskreislauf und einem in der von der Maschine zum Kühler führenden Vorlaufleitung angeordneten, auf die Temperatur in der Vorlaufleitung ansprechenden Regelorgan für die dem Kühler zugeleitete Flüssigkeitsmenge.Liquid cooled internal combustion engine The present invention relates to a liquid-cooled internal combustion engine, in particular a vehicle internal combustion engine, with a cooling liquid circuit comprising the cooling jacket of the machine and a cooler and one arranged in the flow line leading from the machine to the cooler, Regulating device for the cooler that responds to the temperature in the supply line supplied amount of liquid.

Zur Temperaturregelung von flüssigkeitsgekühlten Kraftfahrzeugmotoren verwendet man heute ün allgemeinen Thermostaten, welche in den Kühlmittelkreislauf vom Motor zum Kühler eingebaut sind und den Kreislauf des Kühlmittels so lange absperren, als die untere Grenze der Betriebstemperatur nicht erreicht ist. Während dieser Periode wird der in der Regel durch eine Umwälzpumpe in Gang gehaltene Kühlmittelkreislauf im allgemeinen durch eine Kurzschlußleitung geschlossen. Ist die Betriebstemperatur erreicht, so beginnt der Thermostat zu öffnen und läßt um so mehr Kühlmittel durch den Kühlerkreislauf strömen, je höher die Betriebstemperatur ansteigt. Dadurch tritt die Kühlung mehr und mehr in Aktion und wirkt der Erhöhung der Betriebstemperatur entgegen.To regulate the temperature of liquid-cooled motor vehicle engines, general thermostats are used today, which are built into the coolant circuit from the engine to the radiator and shut off the coolant circuit as long as the lower limit of the operating temperature is not reached. During this period, the coolant circuit, which is usually kept in motion by a circulating pump, is generally closed by a short-circuit line. Once the operating temperature is reached, the thermostat begins to open and allows the more coolant through the radiator circulation flow, the higher the operating temperature increases. As a result, the cooling comes into action more and more and counteracts the increase in the operating temperature.

Der heute im allgemeinen verwandte Thermostat ist ein Proportionalregler, dessen Wirkungsweise im folgenden näher beschrieben sei. Bei einer mittleren Motorenbelastung, bei welcher der Motor eine Wärmemenge P an das Kühlwasser abgibt, soll durch die Durchflußöffnung des Thermostaten eine Kühlwassermenge Ml< fließen. Diese Menge wird auf Grund der Bemessung des Thermostaten so geregelt, daß dabei die günstigste Betriebstemperatur des Motors erreicht wird. Wird nun der Motor stärker belastet, so wird die Wärmeabgabe des Motors Q > Q. Die Betriebstemperatur steigt jetzt so lange an, bis der sich jetzt öffnende Thermostat den Kühlmittelumlauf so weit vergrößert hat, daß keine weitere Erhöhung der Betriebstemperatur mehr eintritt. Die umgekehrte Erscheinung, nämlich ein Absenken der Betriebstemperatur tritt ein, wenn die Belastung des Motors geringer wird.The thermostat generally used today is a proportional controller, the mode of operation of which is described in more detail below. At an average engine load, at which the engine gives off an amount of heat P to the cooling water, an amount of cooling water Ml <should flow through the flow opening of the thermostat. This amount is regulated based on the dimensioning of the thermostat in such a way that the most favorable operating temperature of the engine is reached. If the engine is now heavily loaded, the heat output of the engine Q> Q. The operating temperature now rises until the now opening thermostat has increased the coolant circulation so much that the operating temperature no longer increases. The opposite phenomenon, namely a lowering of the operating temperature, occurs when the load on the engine is reduced.

An Hand der Abb. 1 ist die Regelcharakteristik eines solchen Thermostaten graphisch dargestellt. Als Abszisse ist die Abweichung A T zwischen Isttemperatur (entspricht etwa der Vorlauftemperatur) und der günstigsten Betriebstemperatur (Solltemperatur) dargestellt, als Ordinate die Durchflußmenge MK. Man sieht, daß diese nach positiven J- T hin zunimmt. Damit ist klargestellt, daß ein solcher Proportionalregler nicht etwa auf eine konstante Betriebstemperatur regelt, sondern nur proportional der Abweichung von der günstigsten Betriebstemperatur anspricht. Seine Wirkung ist letzten Endes die, daß er die Temperaturschwankungen verkleinert, sie aber nicht beseitigt. Deshalb können solche Proportionalregler nur so lange ihren Zweck erfüllen, als die Betriebsverhältnisse keinen allzu großen Schwankungen ausgesetzt sind. Bei Kraftfahrzeugen hat man es aber gerade mit extrem schwankenden Betriebsbedingungen zu tun, wozu vor allem noch der Unterschied zwischen der sommerlichen und der winterlichen Temperatur beiträgt, die ja unmittelbar auf das Kühlsystem einwirkt. Man stellt daher das letztere so ein, daß es im Sommer die optimale Betriebstemperatur gewährleistet. Um auch im Winter diese Temperatur zu erreichen, hilft man sich mit Kühlerjalousien, deren Verstellung meist dem Fahrer überlassen bleibt, oder wenn ein technischer Mehraufwand nicht gescheut wird, durch einen thermostatisch sich ein-und ausschaltenden bzw. geregelten Kühlerventilator. Häufig wird auch zu Beginn der kalten Jahreszeit der übliche Thermostat gegen einen Winterthermostaten ausgetauscht.The control characteristics of such a thermostat is shown graphically on the basis of Fig. 1. The deviation A T between the actual temperature (corresponds approximately to the flow temperature) and the most favorable operating temperature (setpoint temperature) is shown as the abscissa, and the flow rate MK is shown as the ordinate. It can be seen that this increases towards positive J- T . It is thus made clear that such a proportional controller does not regulate to a constant operating temperature, but only responds proportionally to the deviation from the most favorable operating temperature. Ultimately, its effect is to reduce temperature fluctuations, but not to eliminate them. Therefore, such proportional controllers can only fulfill their purpose as long as the operating conditions are not exposed to excessive fluctuations. In motor vehicles, however, one has to deal with extremely fluctuating operating conditions, to which the difference between the summer and winter temperatures, which of course has a direct effect on the cooling system, also contributes. The latter is therefore set in such a way that it guarantees the optimum operating temperature in summer. In order to reach this temperature in winter as well, one helps oneself with radiator blinds, the adjustment of which is usually left to the driver, or, if additional technical effort is not spared, with a thermostatically switched on and off or regulated radiator fan. Often the usual thermostat is exchanged for a winter thermostat even at the beginning of the cold season.

Um letztere Nachteile zu vermeiden, hat man Thermostaten konstruiert, welche eine handbetätigte Einstellvorrichtung zur Anpassung an die Außentemperatur haben (USA.-Patent 2 559 073). Die häufigen Wetterstürze, wobei im Winter bisweilen die Tagestemperatur höher ist als im Sommer, machen eine laufende Nachstellung erforderlich. Deshalb hat man Thermostaten konstruiert, die diese Nachstellung mittels eines Außentemperaturfühlers automatisch bewerkstelligen (USA.-Patent 2 268 083). Der Nachteil dieser Anordnung ist nicht nur durch den hohen konstruktiven Aufwand bedingt, sondern auch durch die Tatsache, daß die Regelfunktion bisweilen überspielt wird. Das ist z. B. der Fall bei einer Bergfahrt bei strengem Frost, wo die öffnung des Thermostaten maximal klein sein sollte, jedoch durch die tiefe Außentemperatur klein gehalten wird.In order to avoid the latter disadvantages, thermostats have been designed which have a hand-operated setting device for adapting to the outside temperature (US Pat. No. 2,559,073). The frequent sudden changes in the weather, with the daytime temperature sometimes being higher in winter than in summer, make constant readjustment necessary. That is why thermostats have been designed which automatically adjust this by means of an outside temperature sensor (USA patent 2 268 083). The disadvantage of this arrangement is due not only to the high structural complexity, but also to the fact that the control function is sometimes overridden. This is e.g. B. the case when driving uphill in severe frost, where the opening of the thermostat should be as small as possible, but is kept small by the low outside temperature.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelung der Kühlmitteltemperatur für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der eine von der Außentemperatur weitgehend unabhängige Regelung der Kühlmitteltemperatur erfolgt und die Nachteile bekannter Temperaturregelungen vermeidet.The invention is based on the object of regulating the coolant temperature to create for a liquid-cooled internal combustion engine in which one of the Outside temperature largely independent regulation of the coolant temperature takes place and avoids the disadvantages of known temperature controls.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brennkraftmaschine der eingangs geschilderten Art dadurch erreicht, daß in der vom Kühler zu der Maschine füh- renden Rücklaufleitung ein weiteres, auf die Temperatur in der Rücklaufleitung ansprechendes Regelorgan angeordnet ist, welches selbsttätig so regelt, daß das Produkt aus der Differenz der Temperaturen der Kühlflüssigkeit in der Vorlauf- und Rücklaufleitung und der durch die Rücklaufleitung strömenden Kühlflüssigkeitsmenge annähernd konstant bleibt. According to the invention, this is achieved in an internal combustion engine of the type described in that in the return line leading from the cooler to the machine a further control element is arranged, which responds to the temperature in the return line and which regulates automatically so that the product of the difference the temperatures of the cooling liquid in the supply and return lines and the amount of cooling liquid flowing through the return line remains approximately constant.

Diese Anordnung wird bei Maschinen vorgesehen, die sowohl mit als auch ohne den Kühler umgehender Kurzschlußleitung ausgerüstet sind. Bei Anordnung einer Kurzschlußleitung muß das Regelorgan vor der Einmündung der Kurzschlußleitung in die Rückleitung Regen. Der als Regelorgan verwendete zweite Thermostat wird so ausgelegt, daß die dem Motor zugeführte Kühlleistung W (Kühlenthalpie pro Zeiteinheit) konstant bleibt. Das bedeutet, daß der Ausdruck W = c - MI( (TV - TR) konstant bleiben muß, wobei MK die pro Zeiteinheit umlaufende Kühlmittelmenge, c deren spezifische Wärme und TV - TR die Temperaturdifferenz zwischen dem dem Kühler zugeführten Kühlmittel und dem vom Kühler kommenden Kühlmittel ist, d. h., daß mit größer werdender Temperaturdifferenz TV - TR die durchströmende Kühlmittelmenge beim zweiten Thermostat kleiner werden muß, während beim ersten Thermostat die Durchflußmenge des Kühlmittels mit wachsender Temperaturdifferenz A T zwischen Soll- und Isttemperatur größer wird.This arrangement is provided for machines that are equipped with or without a short-circuit line bypassing the cooler. If a short-circuit line is arranged, the control element must rain before the short-circuit line joins the return line. The second thermostat used as a regulating element is designed in such a way that the cooling power W (cooling enthalpy per unit of time) supplied to the engine remains constant. This means that the expression W = c - MI ( (TV - TR) must remain constant, where MK is the amount of coolant circulating per unit of time, c is its specific heat and TV - TR is the temperature difference between the coolant supplied to the cooler and that coming from the cooler Coolant is, that is, with increasing temperature difference TV - TR the amount of coolant flowing through must decrease with the second thermostat, while with the first thermostat the amount of coolant flowing through increases with increasing temperature difference A T between the set and actual temperature.

Damit wird dem Motor, unabhängig von der Außentemperatur, pro Zeiteinheit immer nur eine konstante Kühlenthalpie zugeführt, und die Betriebstemperatur des Motors wird damit von der Außentemperatur unabhängig. In Ab b. 2 ist die Charakteristik eines solchen Thermostaten graphisch dargestellt. Der Kühlmitteldurchfluß MI< nimmt hyperbolisch mit der Differenz TV - TIZ ab, wird aber dabei niemals = Null.This means that the engine is always supplied with only one constant cooling enthalpy per unit of time, regardless of the outside temperature, and the operating temperature of the engine is thus independent of the outside temperature. In Ab b. 2 shows the characteristics of such a thermostat graphically. The coolant flow MI <decreases hyperbolically with the difference TV - TIZ, but never = zero.

Eine Steuerung des Durchschnittsquerschnitts des Thermostaten in der Weise, daß größeren Temperaturschwankungen kleine Querschnittsänderungen, alsdann kleineren Temperaturschwankungen größere Querschnittsänderungen entsprechen, so daß die Änderung der Durchlaßquerschnitte unproportional zur Temperaturänderung erfolgt, ist bereits durch die deutsche Patentschrift 409 371 bekannt.A control of the average cross-section of the thermostat in such a way that larger temperature fluctuations correspond to small cross-sectional changes, then smaller temperature fluctuations correspond to larger cross-sectional changes, so that the change in the passage cross-sections is disproportionate to the temperature change, is already known from German patent specification 409 371 .

In der genannten Patentschrift wird von dem Thermostaten eine Charakteristik gefordert, bei welcher mit einer bestimmten Temperaturänderung eine vor-,geschriebene Änderung des Querschnitts q erreicht werden soll. Es wird damit ein Zusammenhang zwischen d qld t und der Temperatur, also dem Differentialquotienten des Querschnitts und der Temperatur gefordert, während im vorliegenden Fall ein funktioneller Zusammenhang zwischen dem Querschnitt q und der Temperaturdifferenz gefordert wird. Beiden Fällen liegt eine völlig verschiedene Problemstellung zugrunde.In the cited patent specification, a characteristic is required of the thermostat in which, with a certain temperature change, a prescribed change in the cross section q is to be achieved. A relationship between d qld t and the temperature, i.e. the differential quotient of the cross-section and the temperature, is required, while in the present case a functional relationship between the cross-section q and the temperature difference is required. Both cases are based on a completely different problem.

Ein Beispiel der Anordnung gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren A b b. 1 die bereits erwähnte Regelcharakteristik eines herkömmlichen Thermostaten zeigt, in Ab b. 2 die Regelcharakteristik des zweiten Thermostaten aufgezeigt ist, A b b. 3 die Anordnung der Thermostaten im Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine wiedergibt. Ein Beispiel soll die Wirkungsweise einer solchen Anordnung von Thermostaten, die neben dem herkömmlichen Thermostaten noch einen zweiten Thermostaten aufweist, veranschaulichen. Wir nehmen mittlere Motorenbelastung und tiefe Außentemperaturen (Winter) an. Der zweite Thermostat wirkt bei tiefer Kühlerrücklauftemperatur drosselnd auf den Kreislauf, während gleichzeitig der übliche Thermostat eine der Vorlauftemperatur entsprechende Öff- nung aufweist. Diese Anordnung hat dieselbe Wirkung wie ein Winterthermostat, bei welchem die zusätzliche Drosselwirkung, welche der erfindungsgemäße Thermostat hat, einfach dadurch erreicht wird, daß der Winterthermostat bei jeder Vorlauftemperatur eine kleinere Durchflußöffnung besitzt als der Sommerthermostat. Diese Anordnung ist in A b b. 3 schematisch dargestellt, wobei 1 den Motor, 2 den Kühler darstellt und 3 die Drosselklappe des zweiten Thermostaten, 4 die des ersten üblichen Thermostaten. Diese Anordnung gewährleistet die Anpassung der Betriebsbedingungen an jede beliebige Außentemperatur.An example of the arrangement according to the invention is shown in the drawing, whose A b b. 1 shows the already mentioned control characteristics of a conventional thermostat, in Ab b. 2 shows the control characteristics of the second thermostat, A b b. 3 shows the arrangement of the thermostats in the cooling circuit of an internal combustion engine. An example is intended to illustrate the mode of operation of such an arrangement of thermostats, which in addition to the conventional thermostat also has a second thermostat. We assume medium engine loads and low outside temperatures (winter). The second thermostat has a throttling effect on the circuit when the cooler return temperature is low , while at the same time the usual thermostat has an opening corresponding to the flow temperature. This arrangement has the same effect as a winter thermostat, in which the additional throttling effect which the thermostat according to the invention has, is achieved simply by the fact that the winter thermostat has a smaller flow opening than the summer thermostat at each flow temperature. This arrangement is shown in A b b. 3 shown schematically, with 1 representing the engine, 2 the radiator and 3 the throttle valve of the second thermostat, 4 that of the first conventional thermostat. This arrangement ensures that the operating conditions can be adapted to any outside temperature.

Der zweite Thermostat verbessert aber auch gleichzeitig die Regelung der Isttemperatur des Motors bei schwankender Belastung. Erhöht sich beispielsweise infol-e höherer Leistungsabgabe des Motors die Temperatur des dem Kühler zufließenden Kühlmittels und damit gleichzeitig wegen der jetzt größer gewordenen öffnung des ersten Thermostaten auch dessen Umlaufmenge, so wird das aus dem Kühler austretende Kühlmittel nunmehr eine höhere Temperatur besitzen. Damit öffnet aber auch der zweite Thermostat stärker und hilft die Kühlwirkung verbessern.The second thermostat also improves control at the same time the actual temperature of the motor with fluctuating load. For example, increases infol-e higher power output of the engine the temperature of the flowing to the cooler Coolant and thus at the same time because of the now larger opening of the first thermostat also its circulating volume, then the one emerging from the radiator Coolants now have a higher temperature. But this also opens the second Thermostat stronger and helps improve the cooling effect.

Die Regelkurve des zweiten Thermostaten (s. Ab b. 2) kann nun dahin gehend geändert werden, daß die zusätzliche Wärmeabgabe des Motors und eventuell auch die der Wagenheizung mit berücksichtigt wird. Dazu muß die erfindungsgemäße Regelcharakteristik des Thermostaten dahin abgeändert werden, daß die Enthalpiemenge nicht mehr temperaturinvariant ist, sondern daß diese nach tiefen Temperaturen um einen bestimmten Wert kleiner wird.The control curve of the second thermostat (see from b. 2) can now be changed in such a way that the additional heat output of the engine and possibly also that of the car heater is taken into account. For this purpose, the control characteristic of the thermostat according to the invention must be modified so that the amount of enthalpy is no longer temperature-invariant, but rather that it becomes smaller by a certain value after low temperatures.

Die erfindungsgemäße Temperaturregelung für Brennkraftmaschinen ist insbesondere zur Anwendung in Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschinen geeignet.The inventive temperature control for internal combustion engines is particularly suitable for use in motor vehicles with internal combustion engines.

Man erreicht damit gegenüber der bisherigen Eintherinostatenregelung eine weit bessere Anpassung der Betriebstemperatur an die äußeren Bedingungen, wie Hitze, Kälte, Berg- und Talfahrt. Gegenüber den bisherigen zusätzlichen Regulierhilfsmitteln wie Kühlerjalousien und regelbaren Kühlerventilatoren zeichnet sich die erfindungsgemäße Regelung durch Einfachheit und Billiakeit aus.This is achieved compared to the previous one-thermostat regulation a far better adaptation of the operating temperature to the external conditions, such as Heat, cold, ascent and descent. Compared to the previous additional regulating aids such as radiator shutters and controllable radiator fans, the inventive Regulation by simplicity and cheapness.

CC.

Claims

Patent claim: Liquid-cooled internal combustion engine, in particular a vehicle internal combustion engine, with a liquid circuit comprising the cooling jacket of the machine and a cooler and a control element for the amount of liquid fed to the cooler, which is arranged in the feed line leading from the machine to the cooler and is responsive to the temperature in the feed line, characterized in that, that in the return line leading from the cooler to the machine another regulating element responding to the temperature in the return line is arranged, which regulates automatically so that the product of the difference between the temperatures of the cooling liquid in the flow and return lines and that through the return line flowing amount of coolant remains approximately constant. Documents considered: German Patent No. 409 371; U.S. Patent Nos. 1311809 , 2,268,083, 559073.