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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 29 47 984 befasst sich mit dem Problem, eine automatische Entlüftungseinrichtung zu schaffen, die sowohl beim Auffüllen, wie auch während des Motorbetriebes automatisch entlüftet, wobei ein Drosselelement vorgeschlagen wird dessen geometrischer Querschnitt veränderlich ist. Es wird offenbart, dass der geometrische Querschnitt des Drosselelementes von dem Ventilteller erzeugt wird, der im Ruhezustand auf dem Anschlag aufsitzt, wodurch das Ventil völlig geöffnet ist. Wird das Drosselelement von Flüssigkeit durchströmt, verschiebt sich der Ventilteller in Schließrichtung. Im oberen Drehzahlbereich des Motors ist das Drosselelement dann vollständig geschlossen.
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Die
DE 196 07 638 C1 beschäftigt sich mit dem Problem, die Aufwärmphase der Brennkraftmaschine zu reduzieren, wobei die im Kurzschlusskreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge reduziert wird. Dies wird erreicht, indem ein Sperrventil in der Entlüftungsleitung angeordnet wird, mit dem die Verbindung zum Ausgleichbehälter sperrbar ist, Offenbart wird, dass das Sperrventil die Entlüftungsleitung zum Ausgleichsbehälter bei überschreiten eines Öffnungsdruckes freigibt.
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Die
EP 2 039 902 A2 offenbart ein Verschlusselement eines Kanals. Zunächst ist der Kanal mittels des Verschlusselementes vollständig verschlossen, wobei ein Bypass einen Volumenstrom das Verschlusselement umgehend ermöglich. Das Verschlusselement öffnet den Kanal sprunghaft, wenn eine zweite Schwellentemperatur überschritten ist. Es wird beschrieben, dass das Verschlusselement den Kanal bei Überschreiten einer zweiten Schwellentemperatur sprunghaft freigibt Das Verschlusselement sperrt den Kanal also vollständig, bis die zweite Schwellentemperatur erreicht ist, wobei eine Volumenströmung mittels des Bypass, und nicht mittels des Verschlusselementes ermöglicht wird, auch wenn der Bypass in oder an dem Verschlusselement angeordnet sein kann.
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Die
DE 101 39 314 A1 beschreibt ein Kühlsystem für Kraftfahrzeugantriebe, mit einem Motorkühlkreis und mit wenigstens einem separaten Ladeluftkühlkreis, wobei die beiden Kühlkreis mit einem gemeinsamen Flüssigkeitsbehälter in Verbindung stehen. Der Flüssigkeitsbehälter ist ein gemeinsamer Expansionsbehälter, wobei von jedem Kühlkreis wenigstens eine Entlüftungsleitung abzweigt, die in einen oberen Bereich des Expansionsbehälters mündet.
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Eingangs genannte Kühlanordnungen für Brennkraftmaschinen sind bereits in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Neben der Bereitstellung der eigentlichen Funktion eines solchen Kühlkreislaufs zum Kühlen beispielsweise eines Verbrennungsmotors und weiterer Komponenten eines Kraftfahrzeugs und gegebenenfalls der Nutzung des erwärmten Kühlmittels als Wärmequelle für Heizvorrichtungen z. B. einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs ist es für diese Kühlanordnungen ebenfalls wichtig, dass Luft, die in dem Kühlkreislauf der Kühlanordnung eingeschlossen ist, regelmäßig aus diesem entfernt wird.
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So ist im Allgemeinen in der Kühlanordnung beispielsweise ein Ausgleichsbehälter vorgesehen. Dieser dient unter anderem zur Abscheidung von Luft aus dem Kühlkreislauf, zum Ausgleich des Volumenzuwachses des Kühlmittels bei Erwärmung, zum Befüllen der Kühlanordnung mit Kühlmittel sowie zum Aufbau eines Druckpolsters, um ein Sieden des Kühlmittels zu vermeiden. Zur Entlüftung des Kühlkreislaufs ist eine Einbindung des Ausgleichsbehälters sowohl in den internen Motorkreislauf als auch in den üblicherweise über einen Thermostat geführten Gesamtkühlkreislauf möglich.
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Um das Strömen des Kühlmittels aus dem internen Motorkreislauf zu dem Kühler und damit in den Gesamtkühlkreislauf zu gestatten, öffnet der Thermostat, wenn der Verbrennungsmotor bzw. das Kühlmittel eine Mindestsollbetriebstemperatur erreicht hat. Der Kühlmittelstrom wird in herkömmlicher Weise durch eine Pumpe angetrieben, die von dem Verbrennungsmotor über die Kurbelwelle angetrieben wird. Der Durchsatz der Pumpe ist folglich von der Motordrehzahl abhängig.
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Zur Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Entlüftung des Kühlkreislaufs bei einer niedrigen Pumpenausgangsleistung muss eine Mindestströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels aufrechterhalten werden. Andererseits darf eine Maximalströmungsgeschwindigkeit bei einer hohen Pumpenausgangsleistung auch nicht überschritten werden, um ein Verschäumen des Kühlmittels und somit eine Durchmischung des Kühlmittels mit Luft oder ein übermäßiges Absinken des Kühlmittelpegels aus dem Ausgleichsbehälter zu vermeiden.
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Diese Anforderungen werden herkömmlich durch einmal festgelegte Durchströmungsquerschnitte in den Entlüftungsleitungen in Verbindung mit geeignet gestalteten Ausgleichsbehältern erreicht, zum Beispiel mittels in den Behältern angeordneter Ablenk- bzw. Prallflächen, durch eine bestimmte Formgebung des Ausgleichsbehälters, durch die Anordnung der Kühlmitteleinlass- und Kühlmittelauslassöffnungen am Ausgleichsbehälter sowie durch das Kühlmittelvolumen.
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So ist eine Kühlanordnung für einen Verbrennungsmotor beispielsweise in der
GB 2 458 263 A beschrieben. Das Kühlmittel wird mittels einer Umwälzpumpe durch den Verbrennungsmotor gepumpt. Zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler ist ein Thermostatventil angeordnet, das öffnet, wenn die Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor eine vorbestimmte Temperatur übersteigt. Ferner sind die Einlassseite eines Ausgleichsbehälters über eine Kühlmittelzulaufleitung mit einem oberen Ende des Kühlers und die Auslassseite des Ausgleichsbehälters über eine Kühlmittelrücklaufleitung mit der Saugseite der Pumpe verbunden. Um bei bestimmten Betriebszuständen ein unerwünschtes Zurückströmen von Kühlmittel über die auslassseitig verbundene Kühlmittelrücklaufleitung in den Ausgleichsbehälter zu verhindern, ist an der Auslassseite des Ausgleichsbehälters ein Rückschlagventil vorgesehen. Ferner ist bei einer anderen Ausführungsform in der Kühlmittelzulaufleitung zwischen dem Kühler und dem Ausgleichbehälter ein Durchflussbegrenzer in Form eines Druckbegrenzungsventils angeordnet, um einen vorgegebenen Kühlmittelbetriebsdruck stromauf des Begrenzungsventils, nämlich in dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors, zum Beispiel bei einer schlagartigen Druckabnahme in dem Kühlkreislauf aufgrund einer plötzlichen Änderung der Motordrehzahl aufrechtzuerhalten.
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Ferner offenbart die
GB 2 458 264 A einen Durchflussbegrenzer zur Verwendung in einer Kühlanordnung für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere wird vorgeschlagen, den beschriebenen Durchflussbegrenzer in einer Kühlmittelzulaufleitung eines Kühlmittelausgleichsbehälters zu verwenden.
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Die
GB 2 437 064 A offenbart einen Entgasungsbehälter für ein Motorkühlsystem. Der Entgasungsbehälter weist eine konische Form auf, in welchem eine oder mehrere kleinere Entgasungskammern angeordnet sind. Die Einlass- und Auslassöffnungen für das Kühlmittel sind jeweils tangential zum Entgasungsbehälter angeordnet. Mit dieser Anordnung soll es möglich sein, die Entgasung des Kühlsystems mit einem kompakten Entgasungsbehälter durchzuführen, in dem darüber hinaus lediglich eine relativ geringe Kühlmittelmenge bevorratet wird.
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Aufgrund der heutzutage vorrangigen Anforderungen an die Gestaltung des Motorraums, der im Allgemeinen die Kühlanordnungen eines Kraftfahrzeug aufnimmt, zum Beispiel das Vorsehen von Fußgängerschutzmaßnahmen, die Unterbringung komplexer Antriebsstränge und ein geringes Gewicht, ist der verfügbare Bauraum stark begrenzt. Daher ist es besonders erwünscht, das Volumen des Kühlmittelausgleichsbehälters auf ein Minimum zu reduzieren.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei der eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs unter allen möglichen Betriebsbedingungen sichergestellt ist, insbesondere auch bei sehr niedriger Pumpenausgangsleistung, und die den Einsatz eines wesentlich kleinvolumigeren Kühlmittelausgleichsbehälters mit einem einfachen Innenaufbau gestattet, wobei eine schnellstmögliche Reaktion auf veränderte Betriebsbedingungen möglich sein soll, welche einen sicheren Betrieb der Kühlanordnung gewährleisten soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Unter Entlüften ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Abscheidung aller in dem Kühlmittel gebundenen gasförmigen Bestandteile aus dem Kühlmittel bzw. aus dem Kühlkreislauf zu verstehen.
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Erfindungsgemäß ist eine Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, die im Wesentlichen einen mit einem Kühlmittel befüllbaren Kühlmittelausgleichsbehälter aufweist, dessen Einlassseite über eine erste Entlüftungsleitung mit einem Verbrennungsmotor und/oder über eine zweite Entlüftungsleitung mit einem Kühler zum Kühlen des Kühlmittels verbunden ist und dessen Auslassseite über eine Kühlmittelrücklaufleitung mit der Einlassseite einer Pumpvorrichtung zum Pumpen des Kühlmittels durch den Verbrennungsmotor verbunden ist. Erfindungsgemäß ist ferner eine Strömungssteuereinheit zur veränderbaren Begrenzung des Kühlmittelvolumenstroms in der Entlüftungsleitung bzw. den Entlüftungsleitungen vorgesehen. Erfindungsgemäß weist jede der Entlüftungsleitungen jeweils eine (variable) Strömungssteuereinheit auf.
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Zur Vereinfachung der nachstehenden Beschreibung sei darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Verwendung des Begriffs „Entlüftungsleitung” im Singular nicht lediglich auf eine einzige Entlüftungsleitung der Kühlanordnung bezogen zu verstehen sein soll, sondern ebenfalls weitere Entlüftungsleitungen mit umfasst, sofern diese in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanordnung vorgesehen sind, was zum Beispiel der Fall ist, wenn die Einlassseite des Kühlmittelausgleichsbehälters über eine Entlüftungsleitung mit dem Verbrennungsmotor und über einer weitere Entlüftungsleitung mit dem Kühler verbunden ist.
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Durch den während des Betriebs mittels der Strömungssteuereinheit veränderbaren Volumenstrom des Kühlmittels lässt sich der Betriebsbereich, in dem eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs möglich ist, in einfacher Weise erweitern. Ebenso ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlanordnung bei Nichtnutzung des erweiterten Betriebsbereichs, einen wesentlich kleineren und einfacher aufgebauten Kühlmittelausgleichsbehälter stattdessen zu verwenden. Dieser erfordert einen kleineren Bauraum und spart Gewicht, da der Kühlmittelausgleichsbehälter nach der Erfindung aufgrund des kleineren Volumens eine geringere Kühlmittelmenge bevorratet. Infolge der geringeren Kühlmittelmenge im Kühlkreislauf wird zudem die optimale Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine insbesondere nach einem Kaltstart wesentlich schneller erreicht.
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Zur Gewährleistung einer einwandfreien Entlüftung des Kühlkreislaufs ist der zulässige Betriebsbereich einer Kühlanordnung im Wesentlichen durch die nachfolgend beschriebenen Faktoren bestimmt. Die Abscheidung der in dem Kühlmittel eingeschlossenen gasförmigen Bestandteile aus dem Kühlkreislauf ist allgemein von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf abhängig. So ist einerseits eine Mindestströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erforderlich, um eine einwandfreie Entlüftung des gesamten Kühlkreislaufs sicherzustellen, andererseits führt jedoch eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit zu einer Schaumbildung des Kühlmittels und somit zu einer vermehrten Einmischung von Luft in das Kühlmittel sowie außerdem zu einer übermäßigen Absenkung des Kühlmittelpegels in dem Ausgleichsbehälter. Da die Kühlmittelpumpe, die das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf umwälzt, gewöhnlich über den Verbrennungsmotor bzw. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bei vorherbestimmten, festen Leitungsquerschnitten im Kühlkreislauf unmittelbar von der Ausgangsleistung der Kühlmittelpumpe und somit von der Drehzahl des Motors abhängig. Die erlaubte Mindest- und Maximalströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels sowie die Ausgangsleistung der Kühlmittelpumpe bestimmen demnach den zulässigen Betriebsbereich für eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs.
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Hier setzt die Erfindung an. Die durch die Strömungssteuereinheit erfindungsgemäß bewirkte, veränderbare Begrenzung des Kühlmittelvolumenstroms in der Entlüftungsleitung ermöglicht die gezielte Verringerung oder Erhöhung der Kühlmittelströmung in der Entlüftungsleitung während des Betriebs der Kühlanordnung in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern. So ist die Strömungssteuereinheit gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung derart ausgelegt, den Volumenstrom in der Entlüftungsleitung in Abhängigkeit von einer Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung zu steuern.
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Besonders vorteilhaft wird der Volumenstrom des Kühlmittels in der Entlüftungsleitung bei einer niedrigen Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung erhöht, beispielsweise durch Vergrößern des effektiven Leitungsquerschnitts der Entlüftungsleitung mittels der Strömungssteuereinheit. Hierdurch wird die Mindestströmungsgeschwindigkeit für eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs auch bei einem niedrigen Durchsatz der Pumpvorrichtung sichergestellt, wodurch der zulässige Betriebsbereich der erfindungsgemäßen Kühlanordnung für eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs nach unten erweitert wird. Ferner ermöglicht die durch die Erfindung bereitgestellte Entlüftung des Kühlkreislaufs auch bei niedriger Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung in besonders vorteilhafter Weise beispielsweise den Einsatz einer elektrischen Kühlmittelpumpe, die im Niedrig- oder Teillastbereich zum Zirkulieren des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf betrieben wird. Denkbar ist somit beispielsweise auch der Einsatz von elektrischen Niedrigenergiepumpen.
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Auf der anderen Seite wird der Volumenstrom bei einer hohen Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung vorteilhaft reduziert, beispielsweise durch Verkleinern des effektiven Leitungsquerschnitts der Entlüftungsleitung mittels der Strömungssteuereinheit, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels wesentlich unterhalb der maximal zulässigen Strömungsgeschwindigkeit zu halten. Hierdurch wird die zulässige Maximalströmungsgeschwindigkeit für eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs auch bei einem hohen Durchsatz der Pumpvorrichtung nicht erreicht bzw. nicht überschritten, wodurch der zulässige Betriebsbereich der erfindungsgemäßen Kühlanordnung für eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs ebenfalls nach oben erweitert wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ist die Strömungssteuereinheit derart ausgelegt, den Volumenstrom in der Entlüftungsleitung über den gesamten Betriebsbereich der Kühlanordnung wesentlich unterhalb der zulässigen Mindestströmungsgeschwindigkeit zu steuern. Hierdurch ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlanordnung im Vergleich zu herkömmlichen Kühlanordnungen die Verwendung eines wesentlich kleinvolumigeren Kühlmittelausgleichsbehälters, wodurch der für die erfindungsgemäße Kühlanordnung erforderliche Bauraum sowie die in dem Ausgleichsbehälter bevorratete Kühlmittelmenge und somit auch das Gewicht verringert werden. Infolge der geringeren Kühlmittelmenge im Kühlkreislauf wird zudem die optimale Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine insbesondere nach einem Kaltstart wesentlich schneller erreicht.
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Erfindungsgemäß ist die Strömungssteuereinheit derart ausgelegt, den Volumenstrom in der Entlüftungsleitung über den gesamten Betriebsbereich der Kühlanordnung nahezu konstant zu halten, beispielsweise durch entsprechende Anpassung des effektiven Leitungsquerschnitts der Entlüftungsleitung, so dass in Abhängigkeit von dem augenblicklichen Betriebszustand der Kühlanordnung stets ein vorgegebener, nahezu konstanter, optimaler Volumenstrom in der Entlüftungsleitung erreicht wird. Hierdurch wird eine optimale Entlüftungsleistung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung bereitgestellt. Ferner wird die Verwendung eines wesentlich kleinvolumigeren Kühlmittelausgleichsbehälters ermöglicht, wodurch der für die erfindungsgemäße Kühlanordnung erforderliche Bauraum sowie die in dem Ausgleichsbehälter bevorratete Kühlmittelmenge und somit auch das Gewicht verringert werden. Infolge der geringeren Kühlmittelmenge im Kühlkreislauf wird zudem die optimale Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine insbesondere nach einem Kaltstart wesentlich schneller erreicht.
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Neben der Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung ist die Strömungssteuereinheit gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ferner ausgelegt, den Volumenstrom in der Entlüftungsleitung in Abhängigkeit von einer Kühlmitteltemperatur und/oder einem Kühlmitteldruck zu steuern. So ermöglicht diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung neben der Sicherstellung einer einwandfreien Entlüftung des Kühlkreislaufs ebenfalls die Bereitstellung einer optimalen Kühlleistung für die Brennkraftmaschine. Bei einer erhöhten Kühlmitteltemperatur kann beispielsweise der Volumenstrom erhöht werden, um eine raschere Umwälzung des Kühlmittels im Kühlkreislauf und somit eine schnellere Wärmeabgabe in dem Kühler zu ermöglichen. Bei einer niedrigen Kühlmitteltemperatur kann andererseits der Volumenstrom verringert werden, um somit eine schnellere Erwärmung des Kühlmittels und damit ein schnelleres Erreichen der optimalen Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine zu erreichen (Verkürzung der Warmlaufphase).
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Erfindungsgemäß ist die Strömungssteuereinheit ausgelegt, die Steuerung des Volumenstroms kontinuierlich auszuführen, das heißt, die Strömungssteuereinheit erfasst während des Betriebs der Kühlanordnung kontinuierlich einen oder mehrere Betriebsparameter und steuert den Volumenstrom, beispielsweise durch Verändern des effektiven Kühlmittelleitungsquerschnitts, entsprechend dem erfassten Parameterwert derart, dass der Volumenstrom stets einen Wert zwischen der zulässigen Mindest- bzw. Maximalströmungsgeschwindigkeit annimmt, um eine einwandfreie Entlüftung des Kühlkreislaufs unter allen Betriebszuständen sicherzustellen. Die kontinuierliche Steuerung des Volumenstroms ermöglicht eine schnellstmögliche Reaktion auf veränderte Betriebsbedingungen und gewährleistet einen sicheren Betrieb der Kühlanordnung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungssteuereinheit in der Entlüftungsleitung angeordnet. Das bietet den großen Vorteil, dass der Volumenstrom in jeder Entlüftungsleitung individuell gesteuert werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, die Entlüftung über die zwischen dem Kühlmittelausgleichsbehälter und dem Verbrennungsmotor angeordnete Entlüftungsleitung zum Beispiel zeitweise und bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors zu unterbinden, was bei einem Kaltstart besonders vorteilhaft sein kann, um eine schnellstmögliche Erwärmung des Kühlmittels im internen Kühlkreislauf und folglich ein schnelles Erreichen der optimalen Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors zu erzielen. Ebenso ermöglicht die individuelle Steuerung der Volumenströme in den jeweiligen Entlüftungsleitungen eine an die lokalen Betriebszustände der über die Entlüftungsleitungen mit dem Kühlmittelausgleichsbehälter verbundenen Komponenten optimal angepasste Entlüftungs- und Kühlleistung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strömungssteuereinheit an einer Einlassöffnung der Entlüftungsleitung in den Kühlmittelausgleichsbehälter angeordnet. In dem Fall, dass mehrere Entlüftungsleitungen einlassseitig mit dem Kühlmittelausgleichsbehälter verbunden sind, ist es besonders bevorzugt, diese über eine gemeinsame Einlassvorrichtung, beispielsweise einen gemeinsamen Einlassstutzen, mit dem Ausgleichsbehälter zu verbinden, so dass in vorteilhafter Weise eine einzige Strömungssteuereinheit an dem Kühlmittelausgleichsbehälter vorgesehen ist, um den Volumenstrom für alle angeschlossenen Entlüftungsleitungen gleichzeitig zu steuern. Somit wird eine besonders kompakte Kühlanordnung bereitgestellt, die dennoch die bereits erwähnten Vorteile hinsichtlich der optimalen Entlüftungs- und Kühlleistung bietet. Natürlich kann auch an jedem Einlassstutzen jeweils eine Strömungssteuereinheit vorgesehen sein, welche den jeweiligen Volumenstrom steuert, wobei beide Strömungssteuereinheiten steuertechnisch auch so schaltbar sind, dass eine aufeinander abgestimmte Volumensteuerung erreichbar ist.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der Kühlanordnung gemäß der Erfindung,
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2 ein Diagramm, das die Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung bei der in 1 dargestellten Ausführungsform darstellt, und
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3 ein Diagramm, das die Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung bei einer Kühlanordnung nach dem Stand der Technik darstellt.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 beispielhaft für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 2 bzw. mit einer Brennkraftmaschine 2 schematisch dargestellt. Die Kühlanordnung 1 umfasst einen Kühlmittelausgleichsbehälter 3, der an seiner Einlassseite über eine erste Entlüftungsleitung 4 mit dem Verbrennungsmotor 2 verbunden ist. Ferner ist der Kühlmittelausgleichsbehälter 3 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an seiner Einlassseite über eine zweite Entlüftungsleitung 6 mit einem Kühler 7 verbunden. Die Auslassseite des Kühlmittelausgleichsbehälters 2 ist über eine Kühlmittelrücklaufleitung 8 und über einen Thermostat 9 mit der Einlassseite einer Pumpvorrichtung 11 verbunden.
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Die in 1 dargestellte Kühlanordnung 1 weist einen von dem Gesamtkühlkreislauf mittels des Thermostaten 9 trennbaren internen Kühlkreislauf auf. Der interne Kühlkreislauf wird durch den Verbrennungsmotor 2, eine Heizvorrichtung 12, die an ihrer Einlassseite über eine erste Kühlmittelleitung 13 mit der Auslassseite 14 des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist und zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums vorgesehen ist, dem Thermostat 9, der an seiner Einlassseite über eine zweite Kühlmittelleitung 16 mit der Auslassseite der Heizvorrichtung 12 verbunden ist, und die Pumpvorrichtung 11 gebildet, deren Einlassseite mit der Auslassseite des Thermostaten 9 verbunden ist, und die zum Umwälzen bzw. Zirkulieren des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist. Die Pumpvorrichtung 11 wird über den Verbrennungsmotor 2 angetrieben, das heißt, der Kühlmitteldurchsatz durch die Pumpvorrichtung 11 bzw. die Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung 11 ist im Wesentlichen von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 abhängig.
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Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2, das heißt vor Erreichen einer Mindestbetriebstemperatur des Kühlmittels bzw. des Verbrennungsmotors 2, ist der Thermostat 9 geschlossen. Dies führt zu einer schnellen Erwärmung des Kühlmittels (Verkürzung der Warmlaufphase). Nach Erreichen der Mindestbetriebstemperatur des Verbrennungsmotors 2 bzw. des Kühlmittels öffnet der Thermostat 9 und ermöglicht das Zirkulieren des Kühlmittels durch den Gesamtkühlkreislauf.
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Im Gesamtkühlkreislauf strömt das Kühlmittel zusätzlich zum internen Kühlkreislauf durch den Kühler 7, der an seiner Eingangsseite über eine dritte Kühlmittelleitung 17 mit der Auslassseite 14 des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist, und anschließend wieder zurück zu dem Thermostat 9, der an seiner Einlassseite über eine vierte Kühlmittelleitung 18 mit der Auslassseite des Kühlers 7 verbunden ist. Der Kühler 7 dient zum Kühlen des Kühlmittels, indem die von dem Kühlmittel mitgeführte Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist die Heizvorrichtung 12 in den internen Kühlkreislauf integriert. Daher steht sehr schnell nach dem Starten des Verbrennungsmotors 2 Heizleistung zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung. Die Heizvorrichtung 12 könnte jedoch stattdessen auch in den Gesamtkühlkreislauf integriert sein und nicht an dem internen Kühlkreislauf angeschlossen sein. Dann würde die Heizleistung erst nach dem Öffnen des Thermostats 9, das heißt nach Erreichen der Mindestbetriebstemperatur des Kühlmittels bzw. des Verbrennungsmotors 2, für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung stehen.
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Wie in 1 zu erkennen ist, ist in den Entlüftungsleitungen 4 und 6 jeweils eine Strömungssteuereinheit 19 bzw. 21 angeordnet. Die Strömungssteuereinheiten 19 und 21 können jedoch auch an der Einlassseite des Kühlmittelausgleichsbehälters 3 oder jeweils an der Auslassseite des Verbrennungsmotors 2 bzw. des Kühlers 7 angeordnet sein. Bei einer Anordnung der Strömungssteuereinheiten 19 und 21 an der Einlassseite des Kühlmittelausgleichsbehälters 3 ist es möglich, nur eine Strömungssteuereinheit zur Steuerung der Volumenströme in beiden Entlüftungsleitungen 4 und 6 zu verwenden. Hierzu werden die Entlüftungsleitungen 4 und 6 über einen gemeinsamen Einlassstutzen in den Kühlmittelausgleichsbehälter 3 geführt, an dem dann beispielsweise eine einzige Strömungssteuereinheit angeordnet wäre.
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In dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Strömungssteuereinheiten 19 und 21 derart ausgelegt, den Kühlmittelvolumenstrom jeweils in der Entlüftungsleitung 4 bzw. 6 während des Betriebs der Kühlanordnung 1 veränderbar zu begrenzen. Insbesondere sind die Strömungssteuereinheiten 19 und 21 ausgelegt, den Volumenstrom in der Entlüftungsleitung 4 bzw. 6 in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung 11 und damit im Wesentlichen abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 zu steuern.
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Da die Strömungssteuereinheiten 19 und 21 bei dem in 1 beispielhaft gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen in ihrer Funktion gleich sind, wird im Folgenden die Funktionsweise der Strömungssteuereinheit 21 beschrieben, die in gleichem Umfang auch für die Strömungssteuereinheit 19 gilt.
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Die Funktionsweise der Strömungssteuereinheit 21 des beschriebenen Ausführungsbeispiels ist in 2 in einem Diagramm dargestellt. Dieses stellt die Strömungsgeschwindigkeit und damit den Volumenstrom des Kühlmittels in der Entlüftungsleitung 6 als Funktion der Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung 11 dar. In 2 stellt die Abszisse 22 die Pumpenausgangsleistung und die Ordinate 23 die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Entlüftungsleitung 6 dar. Die Richtung der zunehmenden Werte ist jeweils durch einen entsprechenden Pfeil der Koordinatenachse angegeben.
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Die in 2 gestrichelt dargestellte Linie 24 gibt die Mindestströmungsgeschwindigkeit an, ab der eine einwandfreie Entlüftung des gesamten Kühlkreislaufs sichergestellt ist. Die punktierte Linie 25 in 2 stellt die Maximalströmungsgeschwindigkeit des Kühlmittels dar, bis zu der kein Verschäumen des Kühlmittels und kein übermäßiges Absinken des Kühlmittelpegels aus dem Kühlmittelausgleichsbehälter 3 auftritt. Innerhalb der durch die Linien 24 und 25 festgelegten Grenzen der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit ist demnach eine einwandfreie Entlüftung des gesamten Kühlkreislaufs gewährleistet.
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Die Kurve 26, die die Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Pumpenausgangsleistung in 2 darstellt, zeigt, dass bei einer Zunahme der Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung 11 die Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit nicht in demselben Maße zunimmt wie die Pumpenausgangsleistung ansteigt. Die Strömungssteuereinheit 21 ist derart ausgelegt, beispielsweise den effektiven Leitungsquerschnitt der Entlüftungsleitung 6 mit steigender Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung 11 zu verkleinern, um so die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Entlüftungsleitung 6 zu verringern. Umgekehrt ist die Strömungssteuereinheit 21 ausgelegt, den effektiven Leitungsquerschnitt mit abnehmender Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung 11 zu vergrößern, um somit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in der Entlüftungsleitung 6 zu vergrößern. Die Strömungssteuereinheit 21 wirkt demnach im Wesentlichen der Zu- bzw. Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, die durch die Zu- bzw. Abnahme der Pumpenausgangsleistung hervorgerufen wird, entgegen. Folglich wird durch die Strömungssteuereinheit 21 der Betriebsbereich der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 erweitert.
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Die Regelung der Strömungssteuereinheit 21 auf einen vorgegebenen Sollwert des Kühlmittelvolumenstroms kann sowohl mechanisch als auch elektronisch erfolgen. Beispielhaft ist ein Regler 27 für die Strömungssteuereinheit 21 in 1 angedeutet, der den Istwert des Kühlmittelvolumenstroms als Eingangsgröße erfasst und der Strömungssteuereinheit 21 zuführt.
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Wie in 2 zu sehen ist, gibt die geschweifte Klammer 28 den zulässigen Betriebsbereich der Kühlanordnung 1 an. In diesem ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch die Strömungssteuereinheit 21 innerhalb der durch die Linien 24 und 25 festgelegten Grenzen steuerbar, womit eine einwandfreie Entlüftung des gesamten Kühlkreislaufs sichergestellt ist. Wie der 2 ebenfalls zu entnehmen ist, weist die Kurve 26 in dem gesamten zulässigen Betriebsbereich 28 wenigstens einen Abstand 29 von der Maximalströmungsgeschwindigkeit 25 auf. Folglich kann die zulässige Maximalströmungsgeschwindigkeit der in 1 dargestellten, erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 um den Wert 29 abgesenkt werden, ohne dass die Entlüftungsleistung der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 verringert oder nicht mehr gewährleistet wäre. Die Verringerung der Maximalströmungsgeschwindigkeit ermöglicht die Verwendung eines kleinvolumigeren Kühlmittelausgleichsbehälters 3 mit einem einfachen Innenaufbau in der Kühlanordnung 1, also beispielsweise ohne komplexe Ablenk- oder Prallflächen.
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Wie der Kurve 26 weiterhin zu entnehmen ist, steuert die Strömungssteuereinheit 21 den Volumenstrom der Entlüftungsleitung 6 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kontinuierlich. Das heißt, die Strömungssteuereinheit 21 erfasst während des Betriebs der Kühlanordnung 1 kontinuierlich die Ausgangsleistung der Pumpenvorrichtung 11 und steuert den Volumenstrom entsprechend dem erfassten Wert. Die kontinuierliche Steuerung des Volumenstroms ermöglicht eine schnellstmögliche Reaktion auf veränderte Betriebsbedingungen und gewährleistet einen sicheren Betrieb der Kühlanordnung.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 werden bei einem Vergleich mit einer herkömmlichen Kühlanordnung, die keine variable Strömungssteuereinheit im Sinne der Erfindung aufweist, noch deutlicher. In 3 ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels als Funktion der Ausgangsleistung einer Pumpenvorrichtung einer Kühlanordnung nach dem Stand der Technik dargestellt. Da diese Kühlanordnung lediglich feste Leitungsquerschnitte der Kühlmittelleitungen aufweist, steigt die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Wesentlichen proportional zur Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung, wie anhand der Kurve 31 deutlich zu erkennen ist. Folglich wird der Punkt, an dem die Strömungsgeschwindigkeit 31 die maximal zulässige Strömungsgeschwindigkeit 25 erreicht, im Vergleich zur erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 wesentlich schneller erreicht, wie sich leicht aus dem direkten Vergleich der Diagramme aus 2 und 3 erkennen lässt. Der zulässige Betriebsbereich 28 der erfindungsgemäßen Kühlanordnung 1 ist demnach gegenüber dem Betriebsbereich 32 der Kühlanordnung nach dem Stand der Technik wesentlich erweitert.
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In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Kühlanordnung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlanordnung
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Kühlmittelausgleichbehälter
- 4
- Erste Entlüftungsleitung 5
- 6
- Zweite Entlüftungsleitung
- 7
- Kühler
- 8
- Kühlmittelrücklaufleitung
- 9
- Thermostat
- 10
-
- 11
- Pumpvorrichtung
- 12
- Heizvorrichtung
- 13
- Erste Kühlmittelleitung
- 14
- Auslassseite von 2
- 15
-
- 16
- Zweite Kühlmittelleitung
- 17
- Dritte Kühlmittelleitung
- 18
- Vierte Kühlmittelleitung
- 19
- Erste Strömungssteuereinheit (variabel) in 4
- 20
-
- 21
- Zweite Strömungssteuereinheit (variabel) in 6
- 22
- Abszisse: Ausgangsleistung der Pumpvorrichtung
- 23
- Ordinate: Strömungsgeschwindigkeit
- 24
- Mindestströmungsgeschwindigkeit
- 25
- Maximalströmungsgeschwindigkeit
- 26
- Gesteuerte Strömungsgeschwindigkeit
- 27
- Regler
- 28
- Zulässiger Betriebsbereich
- 29
- Absenkung der Maximalströmungsgeschwindigkeit
- 30
-
- 31
- Nicht gesteuerte Strömungsgeschwindigkeit gemäß Stand der Technik
- 32
- Zulässiger Betriebsbereich gemäß Stand der Technik
