DE102005055493B4

DE102005055493B4 - Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102005055493B4
Application number: DE200510055493
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Ante; Peter Biber; Stephan Heinrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2025-11-19
Also published as: DE102005055493A1; WO2007057312A1

Abstract

Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Kühlsystem (9), das Kühlmittel (11) durch den Verbrennungsmotor (1) hindurchfährt und das einen Gassensor (19, 24) umfasst, mit dem Verbrennungsgase erfassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (24) an einem an das Kühlsystem (9) angeschlossenen und Verbrennungsgase integrierend sammelnden Gassammelbehälter (25) dauerhaft angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors mit einem Kühlsystem, das Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor hindurchfährt, gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Vorrichtungen sind allgemein bekannt und werden zur Kühlung leistungsstarker Verbrennungsmotoren verwendet. Das Kühlmittel wird dabei vorzugsweise durch den so genannten Zylinderkopf hindurchgeführt.
Gelegentlich zeigt die Zylinderkopfdichtung, die zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock angeordnet ist, geringe Lecks, durch die ein schleichender Verlust an Kühlmittel erfolgt, der in der Regel vom Fahrer nicht bemerkt wird. Falls das Leck nicht behoben wird, kann der Motor auf Grund einer Zylinderkopfüberhitzung beschädigt werden.
Es besteht daher Bedarf nach einer Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors, die gegen derartige Fehlfunktion gesichert ist.
Aus der DE 33 42 242 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen von Undichtigkeiten des Verbrennungssystems einer wassergekühlten Brennkraftmaschine bekannt. Zur Erkennung von Undichtigkeiten bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen wird Gas aus dem Kühlwassersystem auf seinen Gehalt an Kohlenmonoxyd und Kohlenwasserstoff geprüft. Dazu wird nach der DE 33 42 242 A1 eine Sonde benutzt, die an den Kühlwasserbehälter des Kühlwasserkreislaufs einer wassergekühlten Brennkraftmaschine angeschlossen wird. Die hier verwendete Sonde ist nicht dauerhaft in dem Fahrzeug verbaut und wird in erster Linie bei Werkstattbesuchen des Fahrzeuges zur Kontrolle des Kühlwasserkreislaufs verwendet.
Die DE 10 2004 011 288 A1 offenbart einen Ausgleichsbehälter für eine Kühleinrichtung einer Kraftfahrzeugbrennmaschine, umfassend ein Ober- und ein Unterteil, einen ersten Kühlmittelanschluss im Unterteil und einen zweiten Kühlmittelanschluss im Oberteil sowie eine dem Oberteil, insbesondere einem einen Einfüllstutzen verschließenden Deckel zugeordnete Entlüftungseinrichtung, wobei die Entlüftungseinrichtung wenigstens eine Leitung zur gezielten Abführung eines Entlüftungsmediums aufweist.
Die US 6,552,355 B1 offenbart einen optischen Leckdetektor für den Einsatz am Kühlsystem eines Fahrzeuges. Der optische Leckdetektor beinhaltet eine Lichtquelle, einen Lichtdetektor und ein Umsetzungsbauelement. Die Lichtquelle ist über einen optischen Weg mit dem Lichtdetektor gekoppelt. Der Lichtdetektor erzeugt ein elektronisches Signal als Reaktion auf das von der Lichtquelle empfangene Signal. Das Umsetzungsbauelement, welches an die Lichtquelle angeschlossen ist, erzeugt ein elektronisches Signal als Reaktion auf die von der Lichtquelle empfangene Lichtmenge. Dieses elektronische Signal ist ein Indikator für das Vorhandensein eines Lecks im Kühlsystem des Fahrzeuges.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine gegen Kühlmittelverlust abgesicherte Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei der Vorrichtung zur Kühlung des Verbrennungsmotors umfasst das Kühlsystem einen Gassensor, mit dem Verbrennungsgase erfassbar sind. Wenn die Zylinderkopfdichtung dicht ist, sind im Kühlsystem bis auf Verunreinigungen lediglich Luft, Wasserdampf, Korrossionschutzmittel und Frostschutzmittel vorhanden. Bereits bei einer geringfügigen Undichtigkeit der Zylinderkopfdichtung können aber Verbrennungsgase aus den Zylindern in das Kühlsystem eindringen. Wenn daher mit dem Gassensor derartige Verbrennungsgase im Kühlsystem festgestellt werden, kann davon ausgegangen werden, dass die Zylinderkopfdichtung undicht ist. Da die Undichtigkeit zeitnah zu deren Eintreten festgestellt wird, ist eine Weiterfahrt zunächst ohne weiteres möglich, da der Verlust an Kühlmittel zunächst gering ist. Es bleibt daher ausreichend Zeit, um mit dem Fahrzeug eine Werkstatt aufzusuchen, die den Schaden an der Zylinderkopfdichtung behebt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gassensor in Strömungsrichtung hinter einem Überdruckventil eines Ausgleichsbehälters des Kühlsystems angeordnet. Beim Eintritt heißer Verbrennungsgase in das Kühlsystem tritt in der Regel dampfförmiges Kühlmittel am Überdruckventil des Ausgleichsbehälters aus. Das gasförmige Kühlmittel kann mit Hilfe des Gassensors analysiert werden. Wenn im gasförmigen Kühlmittel Verbrennungsgase enthalten sind, kann dies mit Hilfe des Gassensors festgestellt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Gassensor im mit Gas gefüllten Bereich eines Gassammelbehälters des Kühlsystems angeordnet. Da die Verbrennungsgase auf Grund des Kühlmitteltransports und auf Grund von Diffusion im gesamten Kühlsystem verteilt werden, können die Verbrennungsgase auch an diesem Ort detektiert werden.
Vorzugsweise ist der Gassensor auf wenigstens eines der Gase aus der Gruppe CO, CO₂, HC und NO_x empfindlich. Gassensoren für derartige Gase existieren bereits und werden üblicherweise für die Detektion von Verbrennungsgasen im Abgasstrang verwendet. Derartige Gassensoren können nach den für den geänderten Verwendungszweck erforderlichen Modifikation auch zur Detektion von Verbrennungsgasen im Kühlsystem verwendet werden.
Zur Auswertung des vom Gassensor gelieferten Messsignals ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die den zeitlichen Verlauf des vom Gassensor gelieferten Messsignals überwacht. Beim Über- oder Unterschreiten vorbestimmter Grenzwerte kann die Auswerteeinheit einen Eintrag in einen Fehlerspeicher vornehmen, so dass auch schleichend auftretende Lecks, die bei bestimmten Fahrzuständen eintreten, detektiert werden können.
Die Auswerteeinheit kann auch dazu in der Lage sein, eine Warnanzeige auszulösen, die im Falle eines mit Sicherheit festgestellten Defekts dem Fahrer ein Motorproblem anzeigt und den Fahrer auffordert, eine Werkstatt aufzusuchen.
Die Auswerteeinheit kann ferner bei Vorliegen eines mit Sicherheit festgestellten Defekts eine Drosselung der Motorleistung im erforderlichen Umfang veranlassen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Schnitt durch ein Verbrennungsmotor;
2 die Darstellung eines Kühlsystems für den Verbrennungsmotor aus 1.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, bei dem es sich um einen Reihenmotor mit vier Zylindern 2 handelt. In den Zylindern 2 laufen Kolben 3, die über Pleuelstangen 4 mit einer Kurbelwelle 5 verbunden sind. Die Zylindern 2 sind in einem Motorblock ausgebildet und durch einen gemeinsamen Zylinderkopf 7 abgedichtet, in dem die in 1 nicht dargestellten Einspritzventile und Abgasventile sitzen. Zwischen Zylinderkopf 7 und Motorblock 6 befindet sich eine Zylinderkopfdichtung 8, die gelegentlich undicht werden kann. Dadurch können heiße Verbrennungsgase in ein Kühlsystem 9 gelangen, das in 2 näher dargestellt ist.
Das Kühlsystem 9 umfasst einen Hauptkreislauf 10, in dem Kühlmittel 11 von einer Kühlmittelpumpe 13 durch den Zylinderkopf 7 hindurchgepumpt wird. Zum Hauptkreislauf 10 gehört auch ein Ausgleichsbehälter 13, durch den die Ausdehnung des Kühlmittels 11 bei Erwärmung oder Erhitzung kompensiert werden kann. Der Ausgleichsbehälter 13 verfügt über ein Überdruckventil 14, das bei Überdruck im Kühlsystem 9 öffnet und Kühlmittel aus dem Ausgleichsbehälter 13 in einen Abblasstutzen 15 entweichen lässt.
Neben dem Hauptkreislauf 10 umfasst das Kühlsystem 9 einen Nebenkreislauf 16, der das Kühlmittel zu einem Kühler 17 führt. Der Durchfluss durch den Kühler 17 wird durch einen Thermostat 18 geregelt, der beim Kaltstart den Zugang zum Nebenkreislauf 16 sperrt und bei Erreichen der Betriebstemperatur des Kühlmittels 11 den Zugang zum Nebenkreislauf 16 öffnet.
Daneben kann das Kühlsystem weitere, in 2 nicht dargestellte Komponenten wie eine Ölkühlung oder einen Wärmetauscher für die Heizung des Fahrgastraumes 2 umfassen.
Um die Dichtheit der Zylinderkopfdichtung 8 zu überwachen, ist im Bereich des Abblasstutzens 15 ein Gassensor 19 vorgesehen, der Verbrennungsgase im Abblasstutzen 15 detektiert. Wenn Verbrennungsgas durch ein Leck in der Zylinderkopfdichtung 8 in das Kühlsystem 9 eintritt, entweicht in der Regel Kühlmittel durch das Überdruckventil 14. Dadurch gelangen auch Verbrennungsgase in den Abblasstutzen 15, wo sie vom Gassensor 19 detektiert werden können.
Der Gassensor 19 beaufschlagt mit einem Messsignal eine Auswerteeinheit 20, die den zeitlichen Verlauf des vom Gassensor 19 gelieferten Messsignals überwacht. Die Auswerteeinheit 20 kann eine für die Überwachung der von den Gassensoren 19 oder 24 entwickelte Schaltung oder ein Mikroprozessor sein, der Programmcode zur Überwachung der Gassensoren 19 und 24 ausführt.
Beim Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte des Messsignals nimmt die Auswerteeinheit 20 einen Eintrag in einen Fehlerspeicher 21 vor. Wenn durch Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte mit Sicherheit festgestellt werden kann, dass die Zylinderkopfdichtung 8 undicht ist, kann auch ein Warnsignal 22 an einer Anzeigeeinheit 23 aktiviert werden. Durch das Warnsignal 22 wird der Fahrer aufgefordert, umgehend eine Werkstatt aufzusuchen. Außerdem kann die Motorleistung durch Abregeln im notwendigen Umfang verringert werden.
Demgegenüber wird der Fehlerspeicher 21 bei Inspektion ausgelesen. Bei einer Häufung von Fehlern, die die Zylinderkopfdichtung 8 betreffen, kann die Zylinderkopfdichtung 8 vorsorglich ausgetauscht werden.
Neben dem Gassensor 19 oder anstatt des Gassensors 19 kann beispielsweise ein weiterer Gassensor 24 vorhanden sein, der an einer anderen Stelle des Kühlsystems 9 angeordnet ist. Der Gassensor 24 kann beispielsweise in einem Gassammelbehälter 25 vorhanden sein, in dem sich Gas aus dem Kühlsystem 9 sammelt. Bei einem Leck der Zylinderkopfdichtung 8 sammeln sich auch kleinste Mengen von Verbrennungsgasen im Gassammelbehälter 25, bis die Grenzkonzentration für das Auslösen des Fehlersignals erreicht ist. Der Gassammelbehälter hat insofern eine integrierende Wirkung.
Bei den Gassensoren 19 und 24 kann es sich beispielsweise um Gassensoren handeln, mit denen Verbrennungsgase wie CO₂, CO, HC oder NO_x detektierbar sind. Mit Hilfe der Gassensoren 19 und 24 kann ein Leck der Zylinderkopfdichtung 8 so frühzeitig festgestellt werden, dass ein normaler Betrieb des Verbrennungsmotors 1 noch während einer ausreichend langen Zeit bis zu einer Reparatur möglich ist. Insbesondere kann die Reparatur des Verbrennungsmotors 1 auch geplant werden. Der Verbrennungsmotor 1 fällt somit nicht plötzlich aus.
Der Defekt der Zylinderkopfdichtung 8 wird bereits vor einem Anstieg der Temperatur des Kühlmittels 11 oder einem Anstieg der Temperatur des Zylinderkopfs 7 bemerkt. Eine Überwachung der Temperatur des Kühlmittels 11 und des Zylinderkopfs 7 kann ergänzend durchgeführt werden. Allerdings kommt es nur dann zum Temperaturanstieg, wenn bereits ein erheblicher Anteil des Kühlmittels 11 verloren gegangen ist. Eine Weiterfahrt ist in diesem Fall zwar möglich, kann jedoch leicht zu einem Totalschaden am Verbrennungsmotor 1 führen. Die hier beschriebene Warnvorrichtung, die sehr früh eine undichte Zylinderkopfdichtung 8 feststellt, ist daher von Vorteil.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Überwachung der Zylinderkopfdichtung 8 auf alle Arten von Verbrennungsmotoren angewendet werden kann.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass für die Gassensoren 19 und 24 unter Umständen auch Gassensoren in Frage kommen, die zur Überwachung von Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet werden.

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinder
3: Kolben
4: Pleuelstange
5: Kurbelwelle
6: Motorblock
7: Zylinderkopf
8: Zylinderkopfdichtung
9: Kühlsystem
10: Hauptkreislauf
11: Kühlmittel
12: Kühlmittelpumpe
13: Ausgleichsbehälter
14: Überdruckventil
15: Abblasstutzen
16: Nebenkreislauf
17: Kühler
18: Thermostat
19: Gassensor
20: Auswerteeinheit
21: Fehlerspeicher
22: Warnsignal
23: Anzeigeeinheit
24: Gassensor
25: Gassammelbehälter

Claims

Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Kühlsystem (9), das Kühlmittel (11) durch den Verbrennungsmotor (1) hindurchfährt und das einen Gassensor (19, 24) umfasst, mit dem Verbrennungsgase erfassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (24) an einem an das Kühlsystem (9) angeschlossenen und Verbrennungsgase integrierend sammelnden Gassammelbehälter (25) dauerhaft angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Gassensor (19, 24) aus einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (1) durch eine undichte Zylinderkopfdichtung (8) in das Kühlsystem (9) entwichene Verbrennungsgase erfassbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (19) in Strömungsrichtung hinter einem am Ausgleichsbehälter (13) des Kühlsystems (9) ausgebildeten Überdruckventil (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (19) in einem Abblasstutzen (15) des Ausgleichsbehälters (13) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (19, 24) wenigstens ein Gas aus der Gruppe CO, CO₂, HC und NO_x erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (19, 24) eine Auswerteeinheit (20) mit dem Messsignal beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) bei Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte einen Eintrag in einen Fehlerspeicher (21) vornimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) bei Überschreiten eines für einen sicheren Defekt kennzeichnenden Grenzwertes ein vom Fahrer wahrnehmbares Warnsignal (22) an einer Anzeigeeinheit (23) aktiviert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) nach Erkennen eines sicheren Defekts der Zylinderkopfdichtung (8) eine Drosselung der Motorleistung durch Abregeln veranlasst.