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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme
für Brennkraftmaschinen,
die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden. Im Besonderen
betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Luftabscheidungssystem
für Kraftfahrzeugkühlsysteme.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Das
zum Kühlen
einer Brennkraftmaschine verwendete Kühlmittel ist eine Flüssigkeit,
die im Verlaufe ihrer Strömung
durch verschiedene Kühlmittelkanäle in der
Maschine leicht suspendierte Luftblasen (z.B. mit Luft angereichertes
Kühlmittel)
aufnimmt. Weil die Anwesenheit von Luftblasen in dem Kühlmittel
unerwünscht
ist, da sie beispielsweise das Kühlmittelvolumen
und die Kontaktoberfläche
für die Wärmeübertragung
vermindert und die Kühlmittelströmung beeinträchtigen
kann, wird gewöhnlich
irgendein Mechanismus verwendet, um die Beseitigung der Luftblasen
aus dem Kühlmittel
zu fördern.
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Die 1 und 2 zeigen eine beispielhafte Darstellung
eines passiven Luftabscheidungssystems 10, das im Stand
der Technik verwendet wird. Eine Brennkraftmaschine 12 weist
einen Motorblock 14, einen Zylinderkopf 16 und
ein zugehöriges
Kühlsystem 18 auf.
Das Kühlsystem 18 umfasst
ein flüssiges
Kühlmittel,
das durch mehrere Kühlmittelkanäle 42 in
dem Motorblock und dem Zylinderkopf strömt, und über Kühlrohre 44 einen Heizungskern 20,
einen Kühler 22,
einen Thermostaten 24 und eine Pumpe 26 verbindet,
die alle in der Kraftfahrzeug wohlbekannte Komponenten sind.
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Das
passive Luftabscheidungssystem 10 aus dem Stand der Technik
ist ebenfalls eine Komponente des Kühlsystems 18 zum Beseitigen
von Luftblasen aus dem Kühlmittel.
Ein Kühlmittelfüllrohr 30 ist
vertikal ausgerichtet und weist an seinem oberen Ende 30a eine
Druckkappe 32 auf, die eine Twist-Fit- oder Drehpasssitz-Verbindung
mit dem Füllrohr
umfasst. Das Füllrohr 30 weist
eine Länge
L von etwa 150 mm zwischen seinem oberen Ende 30a und seinem
unteren Ende 30b und einen Durchmesser D von etwa 40 mm
auf. Die Druckkappe 32 ist von einem in der Kraftfahrzeugtechnik
wohlbekannten Typ, wobei für
Situationen unterhalb eines vorbestimmten Kühlmitteldrucks (beispielsweise
etwa 70 kPa) Luft durch einen Entlüftungskanal 34 in
der Druckkappe zu einem Überlaufnippel 36 entweicht;
wenn jedoch der Druck den vorbestimmten Druck übersteigt, dann wird die innere
Dichtung der Druckkappe in Bezug auf eine ringförmige Kappendichtlippe 30c des
Füllrohrs
gelöst
und Kühlmittel 40 kann
dann über
den Überlaufnippel
auslaufen. Das untere Ende 30b des Füllrohrs 30 öffnet sich
zu einem Kühlmittelkanal 42a auf
der höchsten
Höhe der
Vielzahl von Kühlmittelkanälen 42,
wie beispielsweise an dem Zylinderkopf 16, so dass das
Füllrohr
vertikal an dem höchsten
Punkt in dem Kühlsystem 18 ansteigt.
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Im
Betrieb strömt
Kühlmittel 40 (siehe
Pfeile F) in einem Kühlmittelkanal 42,
wobei Luftblasen 38 sich in Suspension in dem Kühlmittel
bewegen und unter das Füllrohr 30 gelangen.
Einige Luftblasen werden passiv unter Einwirkung des Auftriebs nach oben
in das stehende Becken 40a des Kühlmittels 40, das
in dem Füllrohr 30 gelegen
ist, driften. Die Luftblasen 38 finden die Oberfläche und
gehen in die Luft A darüber über, woraufhin der
dadurch bewirkte erhöhte
Druck durch die durch den Entlüftungskanal 34 austretende
Luft entspannt wird.
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Obgleich
das vorstehend beschriebene Kühlsystem
und dessen zugehöriges
Luftabscheidungssystem für
eine Beseitigung von Luftblasen in dem Kühlmittel sorgen, erfolgt durch
die passive Natur der Luftabscheidung, die ein Becken mit stehendem
Kühlmittel
umfasst, und infolge der Passivität des Auftriebes, die Luftblasenbewegung
aus dem Kühlmittelkanal
und in das passive Luftabscheidungssystem nach dem Stand der Technik
mit einer sehr langsamen Geschwindigkeit, so dass die Luftblasen
im Mittel sehr viele Umwälzungen
durch die Kühlstrecke
hindurch durchlaufen müssen,
bevor sie das Füllrohr
erfolgreich finden.
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Dementsprechend
wird in der Technik weiterhin ein aktives Luftabscheidungssystem
für ein Kraftfahrzeugkühlsystem
benötigt,
bei dem das Kühlmittel
aktiv von suspendierter Luft befreit wird.
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ZUSAMMENFASUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein aktives Luftabscheidungssystem zum
Beseitigen von Luftblasen im Kühlmittel
eines Kraftfahrzeugkühlsystems,
bei dem ein Teil des Kühlmittels,
der mit größter Wahrscheinlichkeit
mit einer höchsten
Dichte von Luftblasen beladen ist, aktiv in das Luftabscheidungssystem abgezogen
wird.
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Das
aktive Luftabscheidungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst ein Füllrohr
und eine Druckkappe, die abnehmbar mit diesem verbindbar ist, wobei
darüber
hinaus in dem Füllrohr eine
Luftabscheidungsprallplatte vorgesehen ist und mit dem Füllrohr eine
außen
angeordnete Auslassleitung verbunden ist. Die Auslassleitung ist über Fluid mit
einer Sumpfkammer des Füllrohrs
verbunden, die außerhalb
einer mit einer Prallplatte versehenen Kammer angeordnet ist, die
durch die Luftabscheidungsprallplatte geschaffen ist. Die Auslassleitung
ist auch mit dem Kühlsystem
außen
unterstromig in Bezug auf das Füllrohr
verbunden, am stärksten
bevorzugt an der Einlassseite der Pumpe installiert.
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Die
Luftabscheidungsprallplatte umfasst vorzugsweise eine Schale in
der Form eines umgedrehten Kegelstumpfes, die benachbart zu dem
unteren Ende des Füllrohrs
gelegen ist, und einen hohlen Schaft, der über Fluid mit einem Punkt auf
hoher Höhe
der kegelstumpfförmigen
Schale kommuniziert. Der Schaft folgt vertikal in paralleler Beziehung
dem Füllrohr
und endet kurz vor dessen oberem Ende, so dass Kühlmittel aus diesem heraus
und in die Sumpfkammer strömen
kann. Eine Prallplattenöffnung
ist vorzugsweise in dem Schaft vorgesehen, am stärksten bevorzugt an einem unteren
Ende des Schaftes benachbart zu der kegelstumpfförmigen Schale.
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Im
Betrieb besitzt strömendes
Kühlmittel
einen Anteil, der am stärksten
mit Luftblasen beladen ist (dicht besetzt ist), wobei sich dieser
auf einer höchsten
Höhe des
Kühlmittelkanals
befindet, wo das Füllrohr
mit diesem über
eine Öffnung
in Verbindung steht. Da die Auslassleitung an dem unteren Ende des
Füllrohrs
einen negativen Kühlmitteldruck aufbaut,
bewirkt die Druckdifferenz in Bezug auf das Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal,
dass die vorstehend erwähnte
obere Schicht des Kühlmittels
in dem Abschnitt auf höchster
Höhe des
Kühlmittelkanals, der
dichter mit Luftblasen besetzt ist (am stärksten mit Luft angereichert
ist), über
eine Saugwirkung in das Füllrohr
abgezogen wird. Wenn das abgezogene Kühlmittel durch die Luftabscheidungsprallplatte
hindurchtritt und dann in den sich langsamer bewegenden Kühlmittelsumpf
gelangt, gelangen die Luftblasen darin über Auftrieb zu der Luft über der
Oberfläche
des strö menden
Kühlmittels
in der Sumpfkammer, woraufhin überschüssige Luft
durch den Entlüftungskanal
der Druckkappe austritt.
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Somit
ist zu sehen, dass das Kühlmittel,
das am stärksten
mit Luftblasen in dem Kühlmittelkanal beladen
ist, aktiv in das aktive Luftabscheidungssystem gesaugt wird, wonach
die Luftblasen über
Auftrieb aufsteigen und aus dem Kühlmittel heraus gelangen, woraufhin
das Kühlmittel,
das aus der Auslassleitung strömt,
entgast ist, und woraufhin das Kühlmittel,
das aus dem Kühlmittelkanal
strömt
(der Anteil des Kühlmittels,
der nicht durch das Luftabscheidungssystem hindurchgeht) stark an
Luftblasen abgereichert ist.
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Es
ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
aktives Luftabscheidungssystem für
ein Kraftfahrzeugkühlsystem
bereitzustellen.
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Diese
und zusätzliche
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
deutlicher werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugkühlsystems gemäß dem Stand
der Technik, das ein passives Luftabscheidungssystem gemäß dem Stand
der Technik umfasst.
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2 ist
eine Seitenschnittansicht des passiven Luftabscheidungssystems gemäß dem Stand der
Technik von 1.
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3 ist
eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugkühlsystems, das ein aktives
Luftabscheidungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst.
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4 ist
eine Seitenschnittansicht des aktiven Luftabscheidungssystems von 3.
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5A ist
eine Draufsicht einer Luftabscheidungsprallplatte des Luftabscheidungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5B ist
eine Seitenansicht, gesehen entlang der Linien 5B-5B von 5A.
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6 ist
eine Teilschnittansicht, entlang der Linie 6-6 von 4 gesehen.
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7 ist
eine Teilschnittansicht, entlang der Linie 7-7 von 4 gesehen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In
den Zeichnungen zeigen die 3 bis 7 ein
Beispiel eines aktiven Luftabscheidungssystems 100 für ein Kraftfahrzeugkühlsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
es in den 3 und 4 gezeigt
ist, bildet das aktive Luftabscheidungssystem 100 eine Komponente
eines Kraftfahrzeugkühlsystems 102 für eine Brennkraftmaschine 104.
Die Brennkraftmaschine 104 umfasst typischerweise einen
Motorblock 106 und einen Zylinderkopf 108 sowie
das vorstehend erwähnte
Kühlsystem 102.
Das Kühlsystem 102 umfasst
ein flüssiges
Kühlmittel 110,
das durch Kühlmittelkanäle 112 in
dem Motorblock und dem Zylinderkopf strömt und über Kühlrohre 114 typischerweise mit
einem Heizungskern 116, einem Kühler 118, einem Thermostaten 120 und
einer Pumpe 122 in Verbindung steht.
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Das
aktive Luftabscheidungssystem 100 dient als eine Komponente
des Kühlsystems 102 zum
Beseitigen von Luftblasen 124 aus dem Kühlmittel 110. Ein
Kühlmittelfüllrohr 126 ist
vertikal ausgerichtet und weist an seinem oberen Ende 126a eine abnehmbare
Druckkappe 128 auf, die vorzugsweise eine Twist-Fit- oder
Drehpasssitzverbindung mit dem Füllrohr
aufweist und über
einen elastisch vorgespannten elastomeren Abschnitt 128a davon
dichtend auf einer ringförmigen
Kappendichtlippe 126c des Füllrohrs sitzt. Das Füllrohr 126 weist
eine Länge L' von etwa 150 mm
zwischen seinem unteren Ende 126b und der Kappendichtlippe 126c und
einen Durchmesser D' von
etwa 40 mm auf.
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Die
Druckkappe 128 ist vorzugsweise herkömmlich und von der vorstehend
anhand der 1 und 2 besprochenen
Art, wobei für
Situationen unterhalb eines vorbestimmten Kühlmitteldrucks (beispielsweise
etwa 70 kPa) Luft durch einen Entlüftungskanal 130 in
der Druckkappe zu dem Überlaufnippel 132 entweicht;
wenn jedoch der Druck den vorbestimmten Druck übersteigt, dann wird die innere
Dichtung der Druckkappe gelöst
und Kühlmittel kann über den Überlaufnippel
austreten. Das untere Ende 126b des Füllrohrs 126 öffnet sich
zu einem Kühlmittelkanal 112,
am stärksten
bevorzugt an dem Zylinderkopf 108, so dass das Füllrohr vertikal
an dem höchsten
Punkt des Kühlsystems 102 ansteigt.
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Unter
zusätzlicher
Bezugnahme auf die 5A bis 7 umfasst
das aktive Luftabscheidungssystem 100 das vorstehend erwähnte Füllrohr 126 und die
Druckkappe 128 dafür,
wobei das Füllrohr
zusätzlich
eine Luftabscheidungsprallplatte 140 innerhalb des Füllrohrs
und eine Auslassleitung 142, beispielsweise einen Schlauch,
umfasst, der mit dem Füllrohr
in Fluidverbindung steht.
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Die
Luftabscheidungsprallplatte 140 stellt zwei getrennte Kühlmittelkammern
in dem Füllrohr 126 her:
eine mit einer Ablenk- oder Prallplatte versehene Kammer 144a und
eine Sumpfkammer 144b, wobei die mit einer Prallplatte
versehene Kammer sich innen bezüglich
der Luftabscheidungsprallplatte und innen bezüglich des Füllrohrs befindet und wobei sich
die Sumpfkammer außen
bezüglich
der Luftabscheidungsprallplatte und innen bezüglich des Füllrohrs befindet. Die Auslassleitung 142 ist
an ihrem Einlassende mit dem Füllrohr 126 an
der Sumpfkammer 144b verbunden und an ihrem Auslassende
mit dem Kühlsystem 102 unterstromig
des Füllrohrs
verbunden, vorzugsweise indem sie an der Einlassseite der Pumpe 122 installiert
ist, um einen niedrigen Kühlmitteldruck,
beispielweise 35 kPa, an der Sumpfkammer 144b in Relation
zu dem nominalen Kühlmitteldruck,
beispielsweise 70 kPa in dem Kühlmittelkanal 112 dort
zu schaffen, wo das untere Ende 126b des Füllrohrs 126 in
Verbindung steht.
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Die
Luftabscheidungsprallplatte 140 zeichnet sich durch eine
Schale in der Form eines umgedrehten Kegelstumpfes aus (d.h. eine
Schale mit der Form eines umgedrehten Trichters) 146, die
benachbart zu dem unteren Ende 126b des Füllrohrs 126 gelegen
ist, und einen hohlen (strohhalmartigen) Schaft 148 von
etwa 6 mm Durchmesser, der dichtend mit dem Punkt auf der höchsten Höhe 146a der
kegelstumpfförmigen
Schale verbunden ist (vorzugsweise indem er integral damit ausgebildet
ist) und mit dieser über
Fluid kommuniziert. Der Schaft 148 folgt vertikal in paralleler
Relation dem Füllrohr 126 und
endet in einem offenen oberen Schaftende 148a, das einen Abstand
L'' von etwa 15 mm von
der Kappendichtlippe 126c beabstandet ist.
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Eine
Prallplattenöffnung 150 von
etwa 2 mm Durchmesser ist über
eine Prallplattenmembran 152 (siehe 7) in dem
Schaft 148 am stärksten
bevorzugt benachbart zu der kegelstumpfförmigen Schale 146 angeordnet
vorgesehen. Die Prallplattenöffnung 150 ist
kleiner als eine Hälfte
des Innendurchmessers des Schaftes, vorzugsweise kleiner als etwa
ein Drittel, um dadurch eine Dosierung der Rate vorzusehen, mit
der Kühlmittel
durch das Luftabscheidungssystem strömt, wobei die Kühlmittelströmung in
der mit einer Prallplatte versehenen Kammer 144a relativ schnell
ist und in der Sumpfkammer 144b relativ langsam ist.
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Im
Betrieb strömt
Kühlmittel 110 (siehe
Pfeile F') in einem
ausgewählten
Kühlmittelkanal 112a auf der
höchsten
Höhe, wobei
das Kühlmittel
an einer Abschnittsschicht 110a auf hoher Höhe desselben dichter
mit Luftblasen 124 beladen ist, und wobei das Füllrohr über eine Öffnung mit
demselben in Verbindung steht, um sicherzustellen, dass eine höchste Dichte
von mit Luft angereichertem Kühlmittel
der Öffnung 126d des
Füllrohrs 126 ausgesetzt
ist. In dieser Hinsicht wird für
die Verbindung mit den Füllrohr
vorzugsweise ein Kanal auf höchster
Höhe gewählt. Da
die Auslassleitung 142 an der Sumpfkammer 144b,
und infolgedessen an der Füllrohröffnung 126d,
einen negativen Kühlmitteldruck
schafft, bewirkt die dadurch hergestellte Druckdifferenz, dass die
obere Schicht 110a des Kühlmittels, nämlich der am
dichtesten mit Luft angereicherte Teil des Kühlmittels, saugend in das Füllrohr abgezogen
wird. Wenn das mit Luft angereicherte Kühlmittel durch die mit einer
Prallplatte versehene Kammer 144a hindurchtritt, indem
es durch die Prallplattenöffnung 140 dosiert
wird, und sich aus dem Schaft 148 an dem offenen Schaftende 148a in
den sich langsamer bewegenden Kühlmittelsumpf 144b bewegt,
bewe gen sich die Luftblasen über
Auftrieb in dem Kühlmittel
und treten an dessen Oberfläche
S' aus diesem aus,
um sich dadurch mit der Luft A' über der
Oberfläche
zu mischen. Daraufhin tritt überschüssige Luft
durch den Entlüftungskanal 130 der
Druckkappe 128 aus.
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Infolge
der aktiven Natur des Betriebs des aktiven Luftabscheidungssystems 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Kühlmittel,
das am stärksten
mit Luftblasen in den Kühlmittelkanal
beladen ist, aktiv in das aktive Luftabscheidungssystem gesaugt,
wonach die Luftblasen 124 über Auftrieb aufsteigen und
aus dem Kühlmittel
austreten, woraufhin der Anteil des Kühlmittels 110b, der
aus der Auslassleitung 142 ausströmt, an Luft abgereichert oder
entgast ist, und woraufhin der Anteil des Kühlmittels 110c, der
aus dem Kühlmittelkanal
ausströmt (der
Anteil des Kühlmittels,
das nicht durch das Luftabscheidungssystem hindurchtritt) stark
an Luftblasen abgereichert ist.
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Für Fachleute
auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, kann die oben beschriebene
bevorzugte Ausführungsform
Gegenstand für
eine Veränderung
oder Abwandlung sein. Eine derartige Veränderung oder Abwandlung kann
ausgeführt
werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der nur
durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt sein soll.