專利名稱：冷卻內(nèi)燃機的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷卻內(nèi)燃機的方法和裝置，和一種包含內(nèi)燃機和相應(yīng)的冷卻裝置的燃油發(fā)動機組。
燃油發(fā)動機組，例如，機動車用的燃油發(fā)動機組，通常含有內(nèi)燃機和冷卻循環(huán)系統(tǒng)，冷卻液在該系統(tǒng)中進行循環(huán)。在例如歐洲專利申請EP-A 0038 556或德國專利申請DE-A 198 03 884、DE-A 199 38 614或DE-A 199 56893中描述了這類燃油發(fā)動機組不同的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。在這些燃油發(fā)動機組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的是冷卻液，該冷卻液流經(jīng)發(fā)動機氣缸體/曲軸箱中和氣缸蓋中的冷卻套。冷卻液通常首先流過曲軸箱的冷卻套，然后流過氣缸蓋的冷卻套。另外，還可以在進入發(fā)動機外殼之前利用一種優(yōu)選可控制的閥門將冷卻液分成兩個分離的局部循環(huán)，并使它們分別流入曲軸箱和氣缸蓋的冷卻套中。然后可以通過一種調(diào)控裝置，根據(jù)內(nèi)燃機的參數(shù)來調(diào)節(jié)這兩個局部冷卻循環(huán)，如果有必要，這兩個循環(huán)互相獨立。
使用用水稀釋的冷卻劑濃縮液作為在該冷卻循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)的冷卻液，該冷卻劑濃縮液應(yīng)確保一方面具有良好的除熱效果，另一方面可靠地防止凍結(jié)。通常用于內(nèi)燃機冷卻循環(huán)系統(tǒng)的冷卻劑是包含烷撐二醇，尤其是乙二醇或丙二醇為主要成分。然而，烷撐二醇/水混合物在內(nèi)燃機的運行溫度下具有很強的腐蝕性。因此，冷卻系統(tǒng)中存在的不同金屬，例如銅、黃銅、鐵、鋼、鑄鐵(灰鑄鐵)、鉛、錫、鉻、鋅和鋁及其合金，和金屬焊料，例如錫焊料(軟焊料)，必須得到充分的保護使其免受到各種類型的腐蝕，例如點蝕、裂隙腐蝕、侵蝕或氣蝕。因此，內(nèi)燃機冷卻循環(huán)系統(tǒng)所用的冷卻劑除防凍劑外還含有緩蝕劑。
因此，如WO-A 01/32801、EP-A 0 816 467、WO-A 97/30133或EP A0557 761所述的典型的冷卻劑配方還含有有機羧酸鹽(例如2-乙基己酸或癸二酸的堿金屬鹽)形式和/或無機鹽(硝酸鹽、亞硝酸鹽、硼酸鹽或鉬酸鹽)形式的離子緩蝕劑。
在汽車構(gòu)造中，通過降低機動車重量來降低燃料消耗的作法目前是合意的。因此，在發(fā)動機構(gòu)造中，例如，通過使用輕金屬或輕金屬合金來降低機組重量是有意義的。因此，例如在最近的研發(fā)中，正在嘗試部分或完全由鎂或鎂合金制造發(fā)動機。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于鎂的化學反應(yīng)性較強，如今可通過商業(yè)途徑獲得并含有離子緩蝕劑的冷卻劑幾乎無法為含鎂及其合金的組件提供任何防腐保護。
申請人的國際專利申請WO-A 02/08354首次描述了完全非離子型的冷卻劑濃縮液和含有這些冷卻劑濃縮液的含水冷卻劑組合物。這些冷卻劑含有以烷撐二醇及其衍生物或以甘油為基礎(chǔ)的防凍劑組分，如果需要，除了其它緩蝕劑，它們還含有0.05至10重量％的一種或多種酰胺和/或磺酰胺，結(jié)果得到非常好的防腐保護，特別是對諸如鋁和鎂或其合金之類的輕金屬而言。
然而，在內(nèi)燃機的運行溫度下，在這類非離子型冷卻劑組合物中也會形成腐蝕性的離子分解產(chǎn)物。此外，內(nèi)燃機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)通常不是密封系統(tǒng)，這樣也會引入腐蝕性污染物，例如在補充冷卻水時引入。
國際專利申請WO-A 00/17951描述了一種用于燃料電池的冷卻系統(tǒng)，其中使用不含緩蝕劑的純乙二醇/水混合物作冷卻劑。為了確保在相當長的時間內(nèi)保持冷卻劑的純度和低電導率，在燃料電池的冷卻循環(huán)系統(tǒng)中安裝了一個離子交換器裝置。然而，WO-A 00/17951沒有提及內(nèi)燃機的具體材料問題，例如關(guān)于含輕金屬合金的組件的使用，該文獻也沒有關(guān)注含緩蝕劑的冷卻液的問題。
本發(fā)明的一個目的是提供一種冷卻內(nèi)燃機的方法，該方法在內(nèi)燃機的主要運行溫度下特別為輕金屬和輕金屬合金提供了非常好的并且持久的防腐保護。本發(fā)明的又一目的是提供一種適合實施該新方法的裝置。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過如本發(fā)明權(quán)利要求1所述的方法可以實現(xiàn)該目的。該新型方法有利的進一步擴展構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明提出在燃油發(fā)動機組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)中使用至少一種去離子手段。在使用含離子緩蝕劑的傳統(tǒng)冷卻劑組合物時，去離子手段的使用會妨礙有效的防腐保護。因此，本發(fā)明還提出結(jié)合非離子型冷卻劑組合物使用去離子手段。
因此，本發(fā)明涉及一種冷卻內(nèi)燃機的方法，使一種含非離子型緩蝕劑的冷卻液在與內(nèi)燃機熱接觸的冷卻循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)，而且至少間歇性地除去該冷卻液的離子。我們意外地發(fā)現(xiàn)，通過對冷卻循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液的間歇或連續(xù)地去離子，可以從冷卻液中除去在運行過程中形成的離子雜質(zhì)，并確保持久的防腐保護。通過使用非離子型緩蝕劑，該新型方法特別適合冷卻含輕金屬組件(特別是含鋁或鎂或其合金的組件)的內(nèi)燃機。
所有含非離子型緩蝕劑的含水冷卻劑組合物，特別是如申請人的WO-A 02/08354中描述的那些，特別適合在該新型方法中用作冷卻液。
可以使用以水或以水與液體醇防凍劑的混合物為基礎(chǔ)的散熱器保護配方。合適的液體醇防凍劑是烷撐二醇及其衍生物和甘油，尤其是丙二醇，特別是乙二醇。另外，更高級的二醇和二醇醚也是適用的，例如二甘醇、二丙二醇和二醇的單醚，例如乙二醇、丙二醇、二甘醇和二丙二醇的甲醚、乙醚、丙醚和丁醚。也可以使用所述二醇與二醇醚的混合物，還可以使用這些二醇與甘油的混合物，如果需要，該混合物中還可以含所述二醇醚。
通常在與水混合之前以濃縮液形態(tài)存在的防凍劑和緩蝕劑組合物優(yōu)選含有占濃縮液總量0.05至10重量％的一種或多種酰胺和/或磺酰胺，特別優(yōu)選為一種或多種分別含2至16個碳原子、特別是分別含3至12個碳原子的脂族、脂環(huán)族、芳族或雜芳族酰胺和/或磺酰胺。這些酰胺可以是未取代的，或是在酰胺基的氮原子上被烷基取代，例如被C1-C4烷基取代。該分子的芳族或雜芳族骨架當然也可以帶有烷基。該分子中可以有一個或多個、優(yōu)選一個或兩個酰胺基。這些酰胺還可以帶有官能團，優(yōu)選為C1-C4-烷氧基氨基、氯、氟、羥基和/或乙酰基，這些官能團特別是作為存在的芳環(huán)或雜芳環(huán)上的取代基出現(xiàn)的。在WO-A 02/08354中詳細描述了特別優(yōu)選的芳族酰胺、雜芳族酰胺、脂族酰胺、含酰胺基作為環(huán)的組成部分的脂環(huán)族酰胺、和芳族磺酰胺。
此外，該濃縮液還可以含有含2至15個碳原子的脂族、脂環(huán)族或芳族胺，含4至10個碳原子的單環(huán)或雙環(huán)飽和或部分不飽和的雜環(huán)，和/或四(C1-C8-烷氧基)硅烷。WO-A 02/08354中同樣更具體地描述了所述附加組分的實例。
出于對進料(swallowing)情況下的衛(wèi)生和安全的考慮，還可以含有常規(guī)少量的其它緩蝕劑和其它助劑，例如消泡劑、標記物和苦味物質(zhì)，只要它們是非離子組分。
作為可直接使用的含水冷卻液，特別是用于內(nèi)燃機冷卻循環(huán)系統(tǒng)的散熱器保護時，該冷卻液含10至90重量％的水和90至10重量％的冷卻劑濃縮液。
該冷卻液優(yōu)選借助于離子交換劑和/或液體去離子劑和/或通過電化學法進行化學去離子。
本發(fā)明還涉及一種用于冷卻內(nèi)燃機、特別是用于實施該新型方法的裝置，該裝置包括一個至少在一個區(qū)段與內(nèi)燃機進行熱接觸的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。在該新型裝置中，冷卻循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置了至少一種去離子手段。優(yōu)選地，使用離子交換劑和/或液體去離子劑和/或進行連續(xù)電化學去離子作用的手段作為去離子手段。
去離子手段可以設(shè)置在內(nèi)燃機冷卻循環(huán)系統(tǒng)的任何適當?shù)奈恢茫缭O(shè)在主冷卻循環(huán)中，這樣去離子手段直接與冷卻液流接觸；或設(shè)在旁流中，經(jīng)過該旁流每單位時間只泵入部分冷卻液；或設(shè)在冷卻循環(huán)系統(tǒng)中通常配有的補償管中；或設(shè)在其可排放到冷卻循環(huán)的地方。
如果使用離子交換劑作為去離子手段，其優(yōu)選裝在當需要時(例如當離子交換劑耗盡時)易于更換的過濾器芯中。
用于去離子液的合適的離子交換劑本身是已知的。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選使用有機離子交換劑，特別是含有強堿性羥基型陰離子交換劑樹脂和/或磺基型陽離子交換劑樹脂的混合產(chǎn)物。相應(yīng)的可通過商業(yè)途徑獲得的混合產(chǎn)品是，例如，產(chǎn)自Rohm & Haas的混合床樹脂離子交換劑AMBERJETUP 6040 RESIN。
此外，活性炭或無機吸附劑，例如氧化鋁、硅膠、沸石或粘土礦物(例如固態(tài)酸(H-粘土)，如MONTMORRILONIT)，可以作為用于此用途的離子交換劑?？赏ㄟ^商業(yè)途徑獲得的產(chǎn)品有如產(chǎn)自Fluka的MONTMORRILONITKSF。
可以使用的液體去離子劑是本身已知的而且能夠結(jié)合離子的液體?？梢栽诶缡且阎j(luò)合劑的情況下通過配位實現(xiàn)結(jié)合。這類化合物的例子是糖酸、檸檬酸、酒石酸、次氮基三乙酸(NTA)、甲基甘氨酸二乙酸(MGDA)、乙二胺四乙酸(EDTA)和多氨基多羧酸，例如多氨基多次膦酸。如果配位化合物本身是固體，液體去離子劑是這些化合物在與冷卻介質(zhì)混溶或不混溶的液體中的溶液。也可以通過離子相互作用來實現(xiàn)離子結(jié)合。這可以是使用胺、季銨化胺、或聚胺例如聚乙烯亞胺或聚乙烯胺時的情況。絡(luò)合劑與通過離子相互作用發(fā)揮作用的化合物的混合物也是可以的，例如，絡(luò)合劑在這些化合物中的溶液。
液體去離子劑可以與冷卻介質(zhì)混合，從而確保這兩種介質(zhì)之間的緊密接觸。然后再將去離子劑從冷卻介質(zhì)中分離出來，例如通過用分相器或用膜單元進行分相。如果使用與循環(huán)冷卻液不混溶的液體去離子劑，按照第二種變化方案，它可以直接或通過膜、特別是離子可透過膜與冷卻液接觸。如果去離子劑基本上與冷卻液不混溶，可以在一個裝有去離子劑的容器內(nèi)進行接觸，而且構(gòu)成第二相的冷卻介質(zhì)流經(jīng)該容器。在申請人的德國專利申請DE-A 102 01 276中，更詳細地描述了液體去離子劑在燃料電池的冷卻系統(tǒng)中的使用。
按照另一變化方案，該冷卻液是經(jīng)電化學法，優(yōu)選通過電滲析法除去離子的。為了進行電滲析法，在安裝在冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的電化學電池的電極上施加電壓，該電壓除去冷卻循環(huán)中的部分離子。優(yōu)選使用在帶有或不帶離子交換劑都可以運行的電滲析電池。如果使用離子交換劑，相應(yīng)的電池又被稱為電去離子電池。通過使用離子交換劑，可以使冷卻介質(zhì)的殘余電導率比只進行電滲析時低得多。因此，優(yōu)選使用的去離子手段是電去離子電池。在該方法中，冷卻介質(zhì)以稀釋流的形式通過該電池。電去離子電池本身是已知的，而且用于例如海水的脫鹽。這種電池可以由陰離子和陽離子交換樹脂混合床組成。按照另一變化，陰離子和陽離子交換樹脂分放在兩個分離的室中。稀釋流流經(jīng)離子交換劑填料，通過離子選擇膜將所述填料與濃縮流體分離。在申請人的德國專利申請DE-A 101 04 771中有用于燃料電池冷卻液的電化學去離子作用的方法和裝置的詳細描述。
本發(fā)明最后還涉及含有至少一個內(nèi)燃機和至少一個用于該內(nèi)燃機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)的液冷式燃油發(fā)動機組，其中在該冷卻循環(huán)系統(tǒng)中有至少一種去離子手段。
下面參照附圖所示的具體實施方案更詳細地解釋本發(fā)明。
在附圖中

圖1表示在冷卻循環(huán)中設(shè)有一種去離子手段的新型燃油發(fā)動機組示意圖；圖2表示圖1的冷卻循環(huán)中的去離子手段設(shè)置的一種變化。
圖1用示意圖表示出本發(fā)明的燃油發(fā)動機組10。該燃油發(fā)動機組10包括一個內(nèi)燃機11和一個冷卻循環(huán)系統(tǒng)14。內(nèi)然機11帶有一個氣缸蓋12和發(fā)動機氣缸體或曲軸箱13。在冷卻循環(huán)系統(tǒng)14中，含水的非離子型冷卻劑組合物利用冷卻水泵15進行循環(huán)。在所示例子中，冷卻液從冷卻水泵15開始，流經(jīng)分配器16，該分配器將冷卻液分入兩個冷卻管道17、18，分配器16的分配比可控。從控制元件20經(jīng)由線路19輸送控制信號，該元件利用傳感器(未標示)測量氣缸蓋12和曲軸箱13的溫度或從來自內(nèi)燃機11的管道17或18中流出的冷卻液的溫度，并設(shè)定分配比以使這些溫度都不超過預定的最大值。從氣缸蓋12和曲軸箱13中出來后，冷卻管道17、18合并成回流管21，它將熱的冷卻液帶入熱交換器22，熱交換器在機動車中被稱為散熱器。在兩條管道17、18合并之前，通常具有較高輸送量和較高出口溫度的曲軸箱冷卻管道17可以經(jīng)過一個加熱熱交換器23，在此可以從冷卻液中吸收用于加熱機動車轎廂的熱量。在熱的冷卻液到達熱交換器/散熱器22之前，可以用一個由恒溫器24調(diào)節(jié)的混合器25將其分成經(jīng)由管道26導入散熱器22的第一分流和經(jīng)由旁通管27繞過散熱器的第二分流。當?shù)谝环至魍ㄟ^散熱器22時，這兩條分流重新合并，并回到冷卻水泵16中。
在所示例子中，在回流管21上安裝了按照本發(fā)明提供的去離子裝置28，例如含有離子交換樹脂的可更換過濾器芯。在圖1的方案中，如果使用離子交換劑，在冷卻循環(huán)14中循環(huán)的冷卻液被連續(xù)除去離子。當離子交換劑耗盡時，可以更換過濾器芯。另外，去離子裝置28也可以是電化學去離子電池或液體去離子劑用的接觸單元(contact cell)。
在圖2所示的變化方案中，去離子裝置28安裝在旁通管29上，使用閥30來控制在旁通支管29中對冷卻流進行去離子的時間以及進行去離子的冷卻流量的多少。作為冷卻循環(huán)系統(tǒng)14上安裝的電導池(未標示)傳達的值的一個功能，控制閥30可例如經(jīng)由信號線31受控于控制裝置20。在這種情況下，只有當經(jīng)電導池記錄下冷卻液的離子成分濃度升高時，才會進行冷卻液的去離子作用。圖2變化與圖1變化相對應(yīng)的其它組件標為與圖1相同的參照數(shù)字。
當然，按照本發(fā)明提供的去離子裝置可以安裝在冷卻循環(huán)系統(tǒng)14的任何適當?shù)奈恢茫缭诹鬟^散熱器22后的管道區(qū)段32或在旁通管27上。
對比例為了按照ASTM D 1384-94進行標準腐蝕測試的對比實驗，添裝ASTM D 1384試驗裝置，使得冷卻液借助于市售PKW冷卻水泵(來自Bosch型號PAA 12V 0 392 020 257、12V直流電壓、最大泵輸送量260升/小時)經(jīng)由PVC軟管通過含玻璃料的玻璃過濾漏斗進行循環(huán)，該裝置中裝有75克離子交換劑AMBERJET UP 6040 RESIN(Rohm & Haas)。各進行三次含和不含離子交換劑的實驗。
所用的非離子型散熱器保護配方是30重量％蒸餾水、60重量％單乙二醇、1重量％對甲苯磺酰胺、0.5重量％三乙醇胺和0.5重量％甲苯三唑(tolutriazole)(WO-A 02/08354的實施例15)的混合物。
對比實施例1為進行第一個對比測試，在兩種實驗中都使用依據(jù)ASTM D1384的標準金屬裝置，而且除鋁取樣管以外還使用了Mg AZ91HP合金的鎂取樣管。
在冷卻循環(huán)中含和不含離子交換劑的情況下各自進行三次實驗的平均值列示在下表1中表1不含離子交換劑含離子交換劑測試樣品重量變化[毫克/平方厘米] 重量變化[毫克/平方厘米]銅 -0.230.00軟焊料 -3.13+0.01黃銅-0.240.00鋼 0.00 -0.03灰鑄鐵 +0.01-0.09鑄鋁+0.01+0.06鎂AZ91HP-6.70-1.59實驗2在實驗2中，用不含鎂取樣管的ASTM標準金屬裝置進行相應(yīng)的對比測試。在冷卻循環(huán)中含和不含離子交換劑的情況下各自進行三次實驗的平均值列示在下表2中表2不含離子交換劑含離子交換劑測試樣品重量變化[毫克/平方厘米] 重量變化[毫克/平方厘米]銅 -0.16 -0.03軟焊料 -2.51 -1.11黃銅-0.17 -0.05鋼 +0.02 -0.01灰鑄鐵 +0.04 -0.02鑄鋁+0.03 -0.00
明顯地，在冷卻循環(huán)中使用離子交換劑可以進一步提高非離子型散熱器保護配方的防腐保護。對于含鎂及其合金的組件，特別是結(jié)合了非鐵金屬例如銅或黃銅或軟焊料的，發(fā)現(xiàn)防腐保護獲得了特別顯著的提高。
權(quán)利要求
1.一種冷卻內(nèi)燃機的方法，使一種含非離子型緩蝕劑的冷卻液在與內(nèi)燃機進行熱接觸的冷卻循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)，而且至少間歇式地除去該冷卻液的離子。
2.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所用的冷卻液是一種含10至90重量％的、以烷撐二醇或其衍生物或以甘油為基礎(chǔ)的冷卻劑濃縮液的含水冷卻劑組合物，如果需要，除了其它非離子型組分外，該冷卻劑濃縮液還含有占濃縮液總量0.05至10重量％的一種或多種的酰胺和/或磺酰胺。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中利用至少一種離子交換劑除去冷卻液的離子。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其中利用一種液體去離子劑除去冷卻液的離子。
5.如權(quán)利要求1至4任一項所述的方法，其中通過電化學方法除去冷卻液的離子。
6.一種用于冷卻內(nèi)燃機的裝置，包括至少在一個區(qū)段與內(nèi)燃機(11)進行熱接觸的冷卻循環(huán)系統(tǒng)(14)，其中在該冷卻循環(huán)系統(tǒng)中安裝了至少一個用于冷卻液的去離子裝置(28)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中該去離子裝置(28)含有至少一種離子交換劑，優(yōu)選為混合床樹脂離子交換劑。
8.如權(quán)利要求6或7所述的裝置，其中去離子裝置(28)的形式是接觸單元，液體去離子劑可以在該接觸單元中對冷卻液產(chǎn)生作用。
9.如權(quán)利要求6至8任一項所述的裝置，其中去離子裝置(28)包括至少一個電滲析電池。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中電滲析電池含有離子交換劑。
11.一種液冷式燃油發(fā)動機組，包括至少一個內(nèi)燃機(11)和至少一個用于內(nèi)燃機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)(14)，其中該冷卻循環(huán)系統(tǒng)(14)中配有至少一個去離子裝置(28)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷卻內(nèi)燃機的方法和裝置。在內(nèi)燃機(11)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)(14)中，使用了一種含水的非離子型冷卻劑組合物。為了保證對發(fā)動機中與冷卻液接觸的輕金屬組件，例如含鎂或鎂合金的組件，也能提供持久的防腐保護，該冷卻循環(huán)系統(tǒng)含有至少一種用于冷卻液的去離子裝置(28)，例如離子交換劑。
文檔編號F01P11/14GK1653250SQ03811242
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者B·文德羅特, S·丹巴赫 申請人:巴斯福股份公司