DE102008018496A1 - Ausgleichsbehälter für ein Kühlsystem - Google Patents

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01PCOOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P11/00Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
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    • F01P11/029Expansion reservoirs
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter (10) zum Aufnehmen von überschüssiger Kühlflüssigkeit in einem Kühlsystem, wobei in dem Ausgleichsbehälter (10) ein Innenraum (12) ausgebildet ist, in welchen über eine erste Öffnung (18) Kühlflüssigkeit eintreten kann und über eine zweite Öffnung (20) Luft zuführbar ist, um in einem nicht mit Kühlflüssigkeit gefüllten Teilvolumen (16) des Innenraums (12) einen Überatmosphärendruck aufzubauen, wobei in dem Ausgleichsbehälter (10) eine Pumpe (24) zum Pressen von Luft über die Öffnung (20) in den Innenraum (12) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter zum Aufnehmen von überschüssiger Kühlflüssigkeit in einem Kühlsystem nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Kühlsysteme für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen weisen nach dem Stand der Technik herkömmlicherweise eine Umwälzpumpe auf. Eine Kühlflüssigkeit nimmt die beim Betrieb des Kraftfahrzeugmotors anfallende Abwärme auf und wird von der Umwälzpumpe zu einem Wärmetauscher befördert, über den die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Die so wieder abgekühlte Kühlflüssigkeit wird daraufhin zurück zum Motorblock befördert.
  • Da sich das Gesamtvolumen der eingesetzten Kühlflüssigkeit aufgrund ihrer thermischen Ausdehnung beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ändert, ist zur Kompensation dieser Volumenänderung in einem solchen Kühlsystem ein Ausgleichsbehälter nötig. Zur Vermeidung von Dampfblasenbildung und Kavitation beim Aufheizen der Kühlflüssigkeit ist es weiterhin insbesondere bei Kühlanlagen für schwere Nutzfahrzeuge üblich, den Luftraum eines solchen Ausgleichsbehälters mit einem Druck zu beaufschlagen, um so bereits bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs einen gewünschten Systemdruck im Kühlsystem einstellen zu können.
  • In der DE 10 2005 007 781 A1 ist ein solches Kühlsystem offenbart, bei welchem der gewünschte Gasdruck im Luftraum des Ausgleichsbehälters durch das Einpressen verdichteter Luft in den Ausgleichsbehälter mit Hilfe des Verdichters eines Abgasturboladers bewerkstelligt wird.
  • Solche aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, benötigen jedoch in nachteiliger Weise eine komplizierte Anordnung regelbarer Ventile, Drucksensoren und Steuereinheiten, um die Einstellung des gewünschten Gasdrucks im Luftraum des Ausgleichsbehälters sicher zu stellen.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es daher, einen (Druck-)Ausgleichsbehälter für ein Kühlsystem bereitzustellen, in dem eine einfache und schnelle Einstellung eines vorbestimmten Drucks im Luftraum des Ausgleichsbehälters ermöglicht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Ausgleichsbehälter nach Patentanspruch 1 gelöst.
  • Ein solcher Ausgleichsbehälter besitzt einen Innenraum zum Aufnehmen von überschüssiger Kühlflüssigkeit, in welchen über eine erste Öffnung Kühlflüssigkeit aus dem Kühlmittelkreislauf eintreten kann und dem weiterhin über eine zweite Öffnung Luft zugeführt werden kann, um einen Überdruck im Innenraum aufzubauen. Erfindungsgemäß ist weiterhin im Inneren des Ausgleichsbehälters eine Pumpe angeordnet, mittels derer Umgebungsluft in den Innenraum des Behälters gepresst werden kann.
  • Die Anordnung einer Pumpe zur Sicherstellung des gewünschten Betriebsdrucks im Ausgleichsbehälter selbst ermöglicht vorteilhaft eine besonders kompakte Auslegung des Systems. Pumpe und Ausgleichsbehälter können als eine Einheit vorgefertigt und in einem einzigen Produktionsschritt eingebaut werden. Auch eine erleichterte Wartung durch einen einfachen Austausch der gesamten Baueinheit ist möglich.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpe als Kolbenpumpe ausgelegt, und weist einen Anschluss auf, über den die Antriebsseite eines Kolbens der Pumpe mit der Kühlflüssigkeit des Kühlsystems in Verbindung bringbar ist, um so die Kolbenpumpe durch den Flüssigkeitsdruck im Kühlsystem hydraulisch zu betreiben. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines separaten Antriebssystems für die Pumpe. Der rein mechanische Antrieb der Pumpe macht weiterhin aufwändige elektronische Steuer- und Regeleinrichtungen unnötig.
  • Bevorzugt steht die Antriebsseite einer solchen hydraulisch betriebenen Kolbenpumpe über eine Leitung so mit dem Kühlsystem in Verbindung, dass auf die Antriebsseite des Pumpenkolbens der Flüssigkeitsdruck, der auf der Druckseite einer Umwälzpumpe des Kühlkreislaufs herrscht, einwirkt. Die Arbeit der hydraulisch betriebenen Kolbenpumpe im Ausgleichsbehälter ist damit auf vorteilhafte Weise unmittelbar an die Arbeit der Umwälzpumpe des Kühlsystems gekoppelt. Sobald die Umwälzpumpe ihre Arbeit aufnimmt, stellt sie gleichzeitig den notwendigen Betriebsdruck für den hydraulischen Antrieb der Druckaufbaupumpe bereit. Damit ist ein schneller Druckaufbau bei Inbetriebnehmen des Kühlsystems bzw. des Kraftfahrzeugs gewährleistet.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist im Kolben der im Ausgleichsbehälter angeordneten Pumpe ein Umschaltventil vorgesehen, welches am Ende eines Arbeitszyklus der Pumpe einen Druckausgleich zwischen einem antriebs- und einem arbeitsseitigen Bereich des Kolbenraums ermöglicht. Dadurch wird eine Umschaltung des Druckgleichgewichts am Kolben ermöglicht, welche eine Rückstellung des Kolbens in seine Ausgangsposition ermöglicht. Die Anordnung eines solchen Umschaltventils im Kolben der Pumpe selbst ermöglicht ein selbsttätiges mechanisches Umschalten dieses Ventils in den Endlagen des Kolbens und macht so eine aufwändige externe Steuerung zur Herstellung eines Druckgleichgewichts an den beiden Seiten des Kolbens unnötig.
  • Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei
  • 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter zeigt.
  • Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Ausgleichsbehälter für ein Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs weist einen Innenraum 12 auf, der beim Betrieb des Systems in einem Teilvolumen mit einer Kühlflüssigkeit 14 gefüllt ist, wobei das verbleibende Teilvolumen 16 des Innenraums 12 luftgefüllt ist. Über eine Öffnung 18 steht der Innenraum mit dem Kühlsystem des Kraftfahrzeugs in Verbindung, so dass überschüssiges Kühlmittel durch diese Öffnung in den Innenraum eintreten kann. Über eine weitere Öffnung 20 kann Umgebungsluft in den Innenraum 12 gepresst werden, um so einen gewünschten Betriebsdruck im Ausgleichsbehälter 10 herzustellen.
  • Zum Nachfüllen von Kühlflüssigkeit steht darüber hinaus ein Befüllstutzen 22 zur Verfügung, der bevorzugt mit einem Überdruckventil versehen ist, um einen unzulässig hohen Druckaufbau im Ausgleichsbehälter 10 zu verhindern.
  • Um Luft in den Innenraum 12 des Ausgleichsbehälters 10 zu pressen, ist innerhalb des Ausgleichsbehälters 10 eine Pumpe 24 angeordnet.
  • Die Pumpe 24 ist dabei als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 26 beweglich in einem Kolbenraum gelagert ist und diesen Kolbenraum in einen antriebsseitigen Kolbenraum 28 und einen arbeitsseitigen Kolbenraum 30 aufteilt.
  • Im antriebsseitigen Kolbenraum 28 ist eine weitere Öffnung 30 vorgesehen, die diesen Kolbenraum 28 über eine Leitung 32 mit dem Kühlflüssigkeitskreislauf des Kühlsystems verbindet. Bevorzugt ist diese Verbindung so ausgelegt, dass der antriebsseitige Kolbenraum 28 über die Leitung 32 druckseitig an eine in der Fig. nicht gezeigte Umwälzpumpe des Kühlsystems angeschlossen ist. Damit kann diese Umwälzpumpe den Arbeitsdruck zum hydraulischen Antrieb der Druckaufbaupumpe 24 liefern. Die Leitung 32 kann ggf. gleichzeitig als Entlüftungsleitung vom Kühlsystem (z. B. Motorblock, Retarderleitung) genutzt werden.
  • Baut sich nun im Betrieb des Kühlsystems aufgrund der geschilderten Verbindung ein Druck im antriebsseitigen Kolbenraum 28 auf, so verschiebt sich der Kolben 26 unter Vergrößerung des antriebsseitigen Kolbenraums 28 und gleichzeitiger Verkleinerung des arbeitsseitigen Kolbenraums 30. Die im arbeitsseitigen Kolbenraum 30 vorliegende Luft wird über ein Rückschlagventil 33 durch die Öffnung 20 in den Innenraum 12 des Ausgleichsbehälters 10 gepresst. Um den Aufbau eines Druckungleichgewichts auf den beiden Seiten des Kolbens 26 zu gewährleisten, ist der Kolben 26 durch eine Dichtung 34 gegen die Innenwand 36 des Kolbenraums 28, 30 abgedichtet. Während der Kolben unter Wirkung des Drucks im antriebsseitigen Kolbenraum 28 in Richtung des arbeitsseitigen Kolbenraums 30 bewegt wird, komprimiert er gleichzeitig eine Feder 38, welche dazu dient, bei Umkehr der Arbeitsrichtung eine Rückstellkraft auf den Kolben 26 auszuüben.
  • Erreicht der Kolben 26 seine Endposition im arbeitsseitigen Kolbenraum 30, kommt ein im Kolben angeordnetes Umschaltventil 40 in Anlage an einen Wandvorsprung 42 und wird dadurch geöffnet. Dieser Vorgang wird durch eine Umschaltfeder 50 unterstützt. Im geöffneten Zustand des Umschaltventils 40 steht der antriebsseitige Kolbenraum 28 über einen Kanal 43 und eine Öffnung 44 mit dem Innenraum 12 des Ausgleichsbehälters 10 in Verbindung. Dadurch erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem antriebsseitigen 28 und arbeitsseitigen Kolbenraum 30. Die Rückstellkraft der Feder 38 wird dominierend. Diese Rückstellkraft wird auch durch den Systemdruck erzeugt. Im Ergebnis ist die einzige nunmehr auf den Kolben 26 wirkende Kraft die Rückstellkraft der Feder 38. Durch diese Feder 38 wird der Kolben 26 wieder unter Verkleinerung des antriebsseitigen Kolbenraums 28 bewegt. Dabei wird über ein Rückschlagventil 46 Umgebungsluft durch eine Leitung 48 in den arbeitsseitigen Kolbenraum 30 gesaugt.
  • In der entgegengesetzten Endposition des Kolbens 26 schließt sich das Umschaltventil 40 wieder, die durch die Leitung 32 und die Öffnung 30 in den antriebsseitigen Kolbenraum 28 strömende Kühlflüssigkeit übt Druck auf den Kolben 26 aus, und der Arbeitszyklus der Kolbenpumpe 24 beginnt von neuem.
  • Der Druckaufbau im luftgefüllten Teilvolumen 16 des Ausgleichsbehälters 10 wird also zum einen durch die Arbeit der Pumpe 24 und zum anderen durch die wärmebedingte Ausdehnung des Kühlmediums und damit verbundene Vergrößerung des flüssigkeitsgefüllten Teilvolumens 14 bedingt. Die Pumpe 24 arbeitet dabei nur so lange, bis sich am Kolben 26 ein Kräftegleichgewicht einstellt. Dieses Kräftegleichgewicht wird beeinflusst von den auf den Kolben einwirkenden Druckkräften in den Kolbenräumen 28 und 30 sowie durch die Federkonstante der Rückstellfeder 38. Durch die geeignete Auslegung der verwendeten Bauteile können die Druckverhältnisse, unter denen dieses Kräftegleichgewicht eintritt, vorbestimmt werden. Es ist daher keine weitere Steuerung der Pumpe 24 nötig, die Pumpe fördert lediglich so lange Luft in den Innenraum 12 des Ausgleichsbehälters 10, bis ein bauartbedingter gewünschter Maximaldruck erreicht ist. Aufwändige und ausfallgefährdete Zusatzsysteme entfallen somit vollständig.
  • 10
    Ausgleichsbehälter
    12
    Innenraum
    14
    flüssigkeitsgefülltes Teilvolumen
    16
    luftgefülltes Teilvolumen
    18, 20, 30, 44
    Öffnungen
    22
    Befüllstutzen
    24
    Pumpe
    26
    Kolben
    28
    antriebsseitiger Unterraum des Kolbenraums
    30
    arbeitsseitiger Unterraum des Kolbenraums
    32, 48
    Leitungen
    33, 46
    Rückschlagventile
    34
    Dichtung
    36
    Innenwand
    38
    Feder
    42
    Wandvorsprung
    43
    Kanal
    50
    Umschaltfeder
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005007781 A1 [0004]

Claims (4)

  1. Ausgleichsbehälter (10) zum Aufnehmen von überschüssiger Kühlflüssigkeit in einem Kühlsystem, wobei in dem Ausgleichsbehälter (10) ein Innenraum (12) ausgebildet ist, in welchen über eine erste Öffnung (18) Kühlflüssigkeit eintreten kann und über eine zweite Öffnung (20) Luft zuführbar ist, um in einem nicht mit Kühlflüssigkeit gefüllten Teilvolumen (16) des Innenraums (12) einen Überatmosphärendruck aufzubauen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausgleichsbehälter (10) eine Pumpe (24) zum Pressen von Luft über die Öffnung (20) in den Innenraum (12) angeordnet ist.
  2. Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (24) als Kolbenpumpe mit einem in einem Kolbenraum (28, 30) beweglich aufgenommenen Kolben (26) ausgeführt ist, wobei eine Öffnung (30) zum Inkontaktbringen des Kolbens mit der Kühlflüssigkeit des Kühlsystems bereitgestellt ist, um die Kolbenpumpe (24) hydraulisch zu betreiben.
  3. Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolben (26) der Pumpe (24) ein Umschaltventil (40) angeordnet ist.
  4. Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine eines Kraftwagens, mit einer Umwälzpumpe zum Fördern einer Kühlflüssigkeit durch das Kühlsystem und mit einem Ausgleichsbehälter (10) nach Anspruch 3.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102005007781A1 (de) 2005-02-19 2006-08-24 Man Nutzfahrzeuge Ag Verfahren und Anordnung zum schnellen Aufbau des Systemdrucks im Kühlmittelkreislauf von Brennkraftmaschinen

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102005007781A1 (de) 2005-02-19 2006-08-24 Man Nutzfahrzeuge Ag Verfahren und Anordnung zum schnellen Aufbau des Systemdrucks im Kühlmittelkreislauf von Brennkraftmaschinen

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