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Die
Erfindung betrifft einen Ausgleichsbehälter zum Aufnehmen
von überschüssiger Kühlflüssigkeit
in einem Kühlsystem nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Ausgleichsbehälter nach Patentanspruch
1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit die
Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert,
wobei
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1 einen
Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter
zeigt.
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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.
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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.
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Um
Luft in den Innenraum 12 des Ausgleichsbehälters 10 zu
pressen, ist innerhalb des Ausgleichsbehälters 10 eine
Pumpe 24 angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005007781
A1 [0004]