DE102008019227B4

DE102008019227B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung in einem Kühlmittelkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008019227B4
Application number: DE200810019227
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Költzsch; Uwe Haas; Thomas Anzenberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: DE102008019227A1

Abstract

Verfahren zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung in einem Kühlmittelkreislauf (1) einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine (2), mit einem Ausgleichsbehälter (9), dem eine Sensoreinrichtung (16) zur Erfassung der Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter (9) zugeordnet ist, wobei die von der Sensoreinrichtung (16) erfasste Füllstandshöhe einer Steuer- und Regeleinrichtung (17) zugeführt wird, die in Abhängigkeit von dieser erfassten Füllstandshöhe eine Kompensationseinrichtung (19) so ansteuert, dass mittels dieser eine vorgegebene Kühlmittelmenge dergestalt aus dem Kühlmittelkreislauf (1) abgesaugt oder in den Kühlmittelkreislauf (1) zudosiert wird, dass die Kühlmittel-Füllstandshöhe (11) im Ausgleichsbehälter (9) einen vorgegebenen Höhenwert einnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung in einem Kühlmittelkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung in einem Kühlmittelkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
In Verbindung mit Kühlmittelkreisläufen von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen ist es allgemein bekannt, Maßnahmen zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung vorzusehen, um insbesondere das Bauvolumen eines Ausgleichsbehälters des Kühlmittelkreislaufes zu begrenzen. Bezogen auf den Einbauzustand im Kraftfahrzeug ist es dabei regelmäßig wünschenswert, den Ausgleichsbehälter in einer sogenannten Hochlage anzuordnen. Diese Hochlage erfordert jedoch regelmäßig relativ kleine Behältervolumina der Kühlmittel-Ausgleichsbehälter, was in Verbindung mit der angestrebten Kompensation der thermischen Volumenausdehnung nur schwer zu realisieren ist.
Aus der WO 97/35101 A1 ist bereits ein Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine elastisch nachgiebige membranartige Einrichtung vorgesehen ist, um thermisch bedingte Volumenänderungen ausgleichen zu können. Einen ähnlichen Aufbau mit einem elastischen Ausgleichselement zeigt auch die US 3,521,702 .
Aus der DE 41 07 183 C1 ist ein Kühlwasser-Ausgleichsbehälter mit einer Vorrichtung zur Füllstandssicherung bekannt, die durch eine Überdruckventilanordnung ausgebildet ist. Eine Überdrucksicherung für einen Kühlmittelkreislauf ist ferner auch aus der DE 42 33 038 C1 bekannt.
Die DE 100 39 018 A1 zeigt einen Flüssigkeitsbehälter für Kraftfahrzeuge, mit einer als Schwimmer ausgebildeten Füllstandsanzeige.
Die DE 42 28 185 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung des Druckes der Kühlflüssigkeit einer Brennkraftmaschine mit Ventilanordnungen, wobei mehrere Überdruckventile mit unterschiedlich hohem Öffnungsdruck vorgesehen sind. Konkret soll hier ein als Sperrventil ausgebildetes elektromagnetisch betätigbares Ventil bei laufender Brennkraftmaschine unterhalb einer vorgegebenen Kühlflüssigkeits-Temperatur geöffnet bleiben.
Die DE 1 865 740 U zeigt eine Kühlvorrichtung mit Flüssigkeitsumlauf für Verbrennungsmotoren mit einem geschlossenen Kühlkreislauf, in den ein Ausdehnungsgefäß geschaltet ist, welches eine verformbare Wand oder eine verformbare Membran aufweist, um einen Druckausgleich im Ausgleichsbehälter zu ermöglichen. Konkret wirkt hierzu eine schwache Feder auf das Ausdehnungsgefäß, damit dieses immer mit Kühlflüssigkeit angefüllt ist.
Aus der DE 692 07 295 T2 ist ein Flüssigkeitskühlkreislaufsystem bekannt, bei der eine Steuereinrichtung eine Rückgewinnungspumpe betreibt, um flüssiges Kühlmittel in einen Kühltank zurückzugewinnen. Zur Ermittlung eines Flüssigkeitsstandes wird hier der Füllstand über Flüssigkeitsstandsensoren ermittelt.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit dem bzw. mit der ein kompakter, kleinbauender Ausgleichsbehälter zur Verfügung gestellt und damit das Bauraumvolumen des Ausgleichsbehälters im Fahrzeug reduziert wird, ohne die funktionssichere und zuverlässige Kompensation der thermischen Volumenausdehnung zu beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind jeweils Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einem Ausgleichsbehälter eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter zuzuordnen. Die von der Sensoreinrichtung erfasste Füllstandshöhe wird anschließend einer Steuer- und Regeleinrichtung zugeführt, die in Abhängigkeit von dieser erfassten Füllstandshöhe eine Kompensationseinrichtung so ansteuert, dass mittels dieser eine vorgegebene Kühlmittelmenge dergestalt aus dem Kühlmittelkreislauf abgesaugt oder in den Kühlmittelkreislauf zudosiert wird, dass die Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter einen vorgegebenen Höhenwert einnimmt, bevorzugt während vorgegebener Brennkraftmaschinen-Betriebsphasen im Wesentlichen konstant gehalten wird. Mittels einer derartigen erfindungsgemäß geregelten Kompensationseinrichtung kann somit auf zuverlässige und funktionssichere Weise eine Kompensation der thermischen Volumenausdehnung im Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellt werden. Durch die im Wesentlichen stets konstante Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter kann dieser entsprechend kleiner dimensioniert werden, so dass ein derartiger Ausgleichsbehälter für viele Einbausituationen in Kraftfahrzeugen geeignet ist, insbesondere für die gewünschten hohen Einbaulagen. Die Kompensationseinrichtung selber, mittels der der eigentliche thermische Volumenausgleich erfolgt, kann dagegen z. B. für den Fall, dass dies bauraumbedingt erforderlich ist, an einer anderen Stelle des Fahrzeuges angeordnet werden, insbesondere in Hochachsenrichtung des Kraftfahrzeuges gesehen geodätisch tiefer als der Kühlmittel-Auslgeichsbehälter. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung liegt darin, dass eine komplizierte Auslegung des Kühlmittel-Ausgleichsbehälters mit elastischen Wänden oder dergleichen bzw. mit Überdrucksicherungen oder dergleichen vorteilhaft vermieden werden kann. Lediglich einfache Sensoreinrichtungen, wie beispielsweise ein Füllstandssensor sind erforderlich, um die Funktionalität der erfindungsgemäßen Lösung zu gewährleisten.
Durch die erfindungsgemäße Regelung und Vorrichtung kann somit der Kühlflüssigkeitsstand im Kühlmittel-Ausgleichsbehälter konstant gehalten werden. Eine einzige Ausnahme davon kann die Warmlaufphase sein, in der z. B. die Füllstandshöhe bewusst angehoben wird, um einem größeren Druck im Kühlsystem und damit einer Kavitationsgefahr entgegenzuwirken.
Besonders bevorzugt ist für einen schnell ansprechenden Aufbau vorgesehen, die Steuer- und Regeleinrichtung zwischen der Sensoreinrichtung und der Kompensationseinrichtung anzuordnen, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung bevorzugt unmittelbar mit der Sensoreinrichtung und auch unmittelbar mit der Kompensationseinrichtung gekoppelt ist.
Zur funktionssicheren Betätigung der Kompensationseinrichtung kann diese eine mit der Steuer- und Regeleinrichtung gekoppelte und von dieser ansteuerbare Antriebseinrichtung aufweisen, wobei dann diese Antriebseinrichtung wiederum mit einer Absaug- und Zudosiervorrichtung gekoppelt ist, mittels der das Kühlmittel in den Kühlmittlkreis zudosiert oder aus diesem abgesaugt wird. Eine derartige Antriebseinrichtung wird bevorzugt durch einen Elektromotor gebildet.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Absaug- und Zudosiereinrichtung auszugestalten. Besonders bevorzugt ist diese durch eine funktionssichere, einen Stellkolben aufweisende Zylinder-Kolben-Einheit gebildet, die mit dem Kühlmittelkreislauf mittels einer sogenannten Kompensationsleitung strömungsverbunden ist. Diese Kompensationsleitung mündet gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung in Strömungsrichtung gesehen nach einem Thermostat und/oder vor einer Kühlmittelpumpe in den Kühlmittelkreislauf.
Die Sensoreinrichtung selbst ist gemäß einer konkreten bevorzugten Ausgestaltung durch wenigstens einen gasseitig oberhalb der Kühlmitteloberfläche als Phasengrenzfläche angeordneten Füllstandssensor bzw. wenigstens einen flüssigkeitsseitig unterhalb der Kühlmitteloberfläche angeordneten weiteren Füllstandssensor gebildet, mittels denen der Füllstand im Ausgleichsbehälter zuverlässig und funktionssicher erfasst werden kann. Bevorzugt ist hierbei der gasseitige Füllstandssensor so angeordnet, dass dieser eine maximale Kühlmittel-Füllstandshöhe erfasst, während der flüssigkeitsseitige Füllstandssensor wiederum so angeordnet ist, dass dieser eine minimale Kühlmittel-Füllstandshöhe erfasst. Dadurch wird bei mittels dem gasseitigen oder flüssigkeitsseitigen Füllstandssensor erfasster maximaler oder minimaler Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter ein Füllstandssignal erzeugt und der Regel- und Steuereinrichtung als Füllstandsparameter zugeführt. Mit einem derartigen Aufbau ist eine zuverlässige Überwachung des Füllstandes im Kühlmittel-Ausgleichsbehälter möglich.
Eine besonders einfach ausgestaltete Steuer- und Regelungseinrichtung ergibt sich für den Fall, dass diese ausschließlich zur Füllstandsregelung herangezogen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt schematisch einen Kühlmittelkreislauf 1 einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 2. Dieser Kühlmittelkreislauf 1 weist strömungstechnisch hinter der Brennkraftmaschine 2 einen sich hier beispielhaft in drei Kühlmittelströme aufzweigenden Kühlmittelstrom auf, von denen ein erster Kühlmittelstrom 3 zu einem Hauptwasserkühler 4 geführt ist, der z. B. als durch den Fahrtwind und/oder mittels eines Ventilators gekühlter Rohrrippenblock ausgebildet ist. Ein zweiter Kühlmittelstrom 5 ist zu einem Thermostat 6 geführt, in dessen Bereich sich der zweite Kühlmittelstrom 5 wieder mit dem abgekühlten, ersten Kühlmittelstrom 3 vom Hauptwasserkühler 4 vereinigt und als Vorlauf-Kühlmittelstrom 7 wieder im Kreislauf zurück zur Brennkraftmaschine 2 geführt wird. Der zweite Kühlmittelstrom 5 wird dabei lediglich in einer solchen Menge abgezweigt, dass mittels des Thermostates 6 eine hinreichend funktionssichere Temperaturregelung und -überwachung möglich wird. Das Thermostat 6 bzw. die Temperaturregelung kann dabei herkömmlicher Bauart sein, so dass darauf nicht näher eingegangen wird.
Für einen Volumenausgleich wird ferner von der Brennkraftmaschine 2 kommend ein dritter Kühlmittelstrom 8 abgezweigt, der in einen Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 mündet, in dem das Kühlmittel 10 mit einer vorgegebenen Kühlmittel-Füllstandshöhe 11 aufgenommen wird. Der dritte Kühlmittelstrom 8 wird hierbei dem Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 bevorzugt kopfseitig bzw. gasphasenseitig zugeführt. Vom Ausgleichsbehälter 9 ausgehend kann ferner ein sumpf- bzw. bodenseitiger Kühlmittelstrom 12 wieder in den Vorlauf-Kühlmittelstrom 7 und damit in den Kühlmittelkreislauf 1 eingespeist werden.
Im Kühlmittelkreislauf 1 selbst ist ferner noch eine Pumpe 13 angeordnet, die ebenfalls herkömmlicher Bauart sein kann.
Am Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 ist ferner gasphasenseitig, unmittelbar oberhalb der Kühlmitteloberfläche ein erster Füllstandssensor 14 einer Sensoreinrichtung 16 angeordnet. Diese Sensoreinrichtung 16 umfasst ferner einen flüssigkeitsseitig unmittelbar unterhalb der Kühlmitteloberfläche angeordneten zweiten Füllstandssensor 15, wobei der Abstand der beiden Füllstandssensoren 14, 15 entsprechend vorgegebener Füllstandsparameter vorgegeben ist.
Wie dies der einzigen Figur weiter entnommen werden kann, ist die Sensoreinrichtung 16 mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung 17 gekoppelt, der wiederum ein hier beispielhaft als Elektromotor 18 ausgebildeter Antrieb einer Kompensationseinrichtung 19 nachgeschaltet ist. Diese Kompensationseinrichtung 19 umfasst neben dem Elektromotor 18 ferner eine Zylinder-Kolben-Einheit 20 als Absaug- und Zudosiereinrichtung, die mittels einer Kompensationsleitung 21 mit dem Kühlmittelkreislauf 1 strömungsverbunden ist, die hier beispielhaft mit dem Vorlauf-Kühlmittelstrom 7 strömungsverbunden ist.
Die Zylinder-Kolben-Einheit 20 der Kompensationseinrichtung 19 weist einen Stellkolben 22 auf, der von dem Elektromotor 18 entsprechend vorgegebener Regelparameter angesteuert wird, um eine thermische Volumenausdehnung im Kühlmittelkreislauf 1 der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 2 zu regeln.
Konkret wird hierbei über die beiden Füllstandssensoren 14, 15 ein Absinken bzw. insbesondere ein Anstieg der Kühlmittel-Füllstandshöhe 11 im Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 erfasst und als Füllstandssignal an die Steuer- und Regeleinrichtung 17 geliefert, die dann den Elektromotor 18 so ansteuert, dass dieser den Stellkolben 22, wie mit dem Pfeil 23 dargestellt, nach oben oder nach unten verlagert, wodurch eine vorgegebene Kühlmittelmenge aus dem Kühlmittelkreislauf 1 abgesaugt oder eine vorgegebene Kühlmittelmenge in den Kühlmittelkreislauf zudosiert wird, um insbesondere im Anschluss an eine definierte Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 2 eine in etwa konstante Kühlmittel-Füllstandshöhe 11 einzuregeln.
Wie bereits zuvor im allgemeinen Teil der Beschreibung dargestellt, wird damit mittels der Kompensationseinrichtung 19 das ggf. erforderliche zusätzliche Volumen bereitgestellt, um eine thermische Volumenausdehnung im Kühlmittelkreislauf 1 kompensieren zu können, so dass der Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9, der bevorzugt in einer in Hochachsenrichtung des Fahrzeuges gesehenen geodätischen Hochlage gegenüber wenigstens einem Teil der Bauteile des Kühlmittelkreislaufes 1, insbesondere gegenüber allen Bauteilen des Kühlmittelkreislaufes 1 eingebaut werden soll, mit einem notwendigen Mindestvolumen als Bauraumvolumen ausgebildet werden kann. Die zusätzliche für die Kompensation erforderliche Kühlmittelmenge wird somit hier in der Kompensationseinrichtung 19, das heißt im Beispielsfall konkret in der Zylinder-Kolben-Einheit 20 vorgehalten und entsprechend zudosiert oder im umgekehrten Fall auch dahin abgesaugt. Diese Kompensationseinrichtung 19 kann anders als der Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 beabstandet und entfernt vom eigentlichen Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 angeordnet werden, z. B. auch in weniger bauraumkritischen Bereichen, die geodätisch tiefer als der Kühlmittel-Ausgleichsbehälter 9 angeordnet ist.

Claims

Verfahren zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung in einem Kühlmittelkreislauf (1) einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine (2), mit einem Ausgleichsbehälter (9), dem eine Sensoreinrichtung (16) zur Erfassung der Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter (9) zugeordnet ist, wobei die von der Sensoreinrichtung (16) erfasste Füllstandshöhe einer Steuer- und Regeleinrichtung (17) zugeführt wird, die in Abhängigkeit von dieser erfassten Füllstandshöhe eine Kompensationseinrichtung (19) so ansteuert, dass mittels dieser eine vorgegebene Kühlmittelmenge dergestalt aus dem Kühlmittelkreislauf (1) abgesaugt oder in den Kühlmittelkreislauf (1) zudosiert wird, dass die Kühlmittel-Füllstandshöhe (11) im Ausgleichsbehälter (9) einen vorgegebenen Höhenwert einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel-Füllstandshöhe (11) im Ausgleichsbehälter (9) im Anschluss an eine definierte Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (2) auf einem konstanten Höhenwert gehalten wird.
Vorrichtung zur Kompensation der thermischen Volumenausdehnung im Kühlmittelkreislauf (1) einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine (2), mit einem Ausgleichsbehälter (9), dem eine Sensoreinrichtung (16) zur Erfassung der Kühlmittel-Füllstandshöhe (11) zugeordnet ist, mit einer Steuer- und Regeleinrichtung (17), die mit der Sensoreinrichtung (16) gekoppelt ist, mit einer Kompensationseinrichtung (19), die mit der Steuer- und Regeleinrichtung (17) und mit dem Kühlmittelkreislauf (1) gekoppelt ist dergestalt, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (17) die Kompensationseinrichtung (19) in Abhängigkeit von der mittels der Sensoreinrichtung (16) erfassten Füllstandshöhe so ansteuert, dass mittels dieser zur Einstellung einer vorgegebenen Kühlmittel-Füllstandshöhe (11) im Ausgleichsbehälter (9) eine vorgegebene Kühlmittelmenge aus dem Kühlmittelkreislauf (1) absaugbar oder in den Kühlmittelkreislauf (1) zudosierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (17) zwischen die Sensoreinrichtung (16) und die Kompensationseinrichtung (19) geschaltet und mit diesen gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung (19) eine mit der Steuer- und Regeleinrichtung (17) gekoppelte und von dieser ansteuerbare Antriebseinrichtung (18) aufweist, und dass die Antriebseinrichtung (18) mit einer Absaug- und Zudosiervorrichtung (20) gekoppelt ist, mittels der das Kühlmittel in den Kühlmittelkreis (1) zudosierbar oder aus diesem absaugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (18) ein Elektromotor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaug- und Zudosiereinrichtung (20) eine einen Stellkolben (22) aufweisende Zylinder-Kolben-Einheit aufweist, die mit dem Kühlmittelkreislauf (1) mittels einer Kompensationsleitung (21) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsleitung (21) in Strömungsrichtung gesehen nach einem Thermostat und/oder vor einer Kühlmittelpumpe (13) in den Kühlmittelkreislauf (1) mündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) wenigstens einen gasseitig oberhalb der Kühlmitteloberfläche angeordneten Füllstandssensor (14) und wenigstens einen flüssigkeitsseitig unterhalb der Kühlmitteloberfläche angeordneten weiteren Füllstandssensor (15) zur Erfassung des Füllstandes (11) im Ausgleichsbehälter (9) aufweist, wobei der gasseitige Füllstandssensor (14) so angeordnet ist, dass dieser eine maximale Kühlmittel-Füllstandshöhe erfasst, während der flüssigkeitsseitige Füllstandssensor (15) so angeordnet ist, dass dieser eine minimale Kühlmittel-Füllstandshöhe erfasst, so dass bei mittels dem gasseitigen oder flüssigkeitsseitigen Füllstandssensor (14, 15) erfasster maximaler oder minimaler Kühlmittel-Füllstandshöhe im Ausgleichsbehälter (9) ein Füllstandssignal erzeugt und der Regel- und Steuereinrichtung (17) als Füllstandsparameter zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regeleinrichtung (17) ausschließlich der Füllstandsregelung dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittel-Ausgleichsbehälter (9) im Kraftfahrzeug beabstandet und geodätisch oberhalb der Kompensationseinrichtung (19) angeordnet ist.