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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Um in beispielsweise zur Motorkühlung oder auch zur Kühlung von Retardern eingesetzten Kühlmittelkreisläufen von Brennkraftmaschinen die Bildung von Dampfblasen bzw. Kavitation im flüssigen Kühlmedium zu vermeiden, werden diese Kühlmittelkreisläufe in der Regel unter Überdruck betrieben. Bei üblichen Systemen stellt sich dabei der Überdruck nach dem Start der Brennkraftmaschine langsam von selbst ein, da dass flüssige Kühlmedium sich erwärmt und so durch seine Ausdehnung den Druck im geschlossenen Kühlmittelsystem erhöht. Um bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine dabei jeweils den notwendigen Druck aufrecht zu erhalten werden komplexe, mehrkammerige Ausgleichsbehälter benötigt, welche sowohl konstruktiv aufwendig sind als auch nachteilig hohen Bauraumbedarf aufweisen.
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Die
DE 10 2009 018 012 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Drucksensors ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck durch Zuführen oder Abführen von Druckluft in einen Gasraum des Ausgleichsbehälters der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird, wobei eine Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei der Vorrichtung zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei durch geregeltes Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Druckluft, in einen Gasraum eines Ausgleichsbehälters ein Solldruck im Kühlmittelkreislauf anhand eines Druck-Temperatur-Kennfeldes eingestellt wird, ist die Vorrichtung erfindungsgemäß zumindest teil- oder abschnittsweise beheizbar oder es sind zumindest einzelne Komponenten der Vorrichtung beheizbar. Somit ist ein Einfrieren der Vorrichtung bei einem Betrieb des Fahrzeugs bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes sicher vermieden. Insbesondere ist das Einfrieren von Kondenswasser in einzelnen Komponenten der Vorrichtung und eine daraus resultierende Funktionsunfähigkeit der Vorrichtung vermieden. Besonders vorteilhafterweise sind aus dem Einfrieren resultierende Schäden am Kühlmittelkreislauf und/oder der Brennkraftmaschine verhindert.
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Dadurch ist die Vorrichtung zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf und somit das Fahrzeug mit der Brennkraftmaschine selbst in jedem Einsatzland des Fahrzeuges auch unter extremen klimatischen Verhältnissen von beispielsweise bis zu –37° Celsius Umgebungstemperatur einsatzfähig.
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Besonders vorteilhafterweise ist eine Beheizung der Vorrichtung zum Steuern des Systemdrucks im Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine vor allem im Winterbetrieb, bei kalten Außentemperaturen kleiner als 0° Celsius, während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine, bei eingeschalteter Zündung des Fahrzeugs und/oder bei aktivierter Standheizung ermöglicht, so dass eine Temperatur der Vorrichtung oberhalb eines vorgebbaren Temperaturschwellwerts von beispielsweise 30° Celsius gehalten wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung 1 zum Steuern des Systemdrucks S in einem Kühlmittelkreislauf 2 für eine Brennkraftmaschine. Dabei ist die Brennkraftmaschine als herkömmlicher Verbrennungsmotor nach dem Diesel- oder Ottomotorprinzip ausgebildet.
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1 zeigt einen Ausgleichsbehälter 3 für einen abschnittsweise dargestellten Kühlmittelkreislauf 2 der Brennkraftmaschine. Im Ausgleichsbehälter 3 ist herkömmliches flüssiges Kühlmedium KM angeordnet, oberhalb dessen ein sich ein Gasraum 4 befindet. Über einen Nachfüllstutzen 5 kann zusätzliches Kühlmedium KM in den Ausgleichsbehälter 3 eingefüllt werden. Der Nachfüllstutzen 5 wird bevorzugt mit einem herkömmlichen Verschlussdeckel 6, in welchem ein Überdruckventil angeordnet sein kann, verschlossen.
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Mittels eines Drucksensors 7 wird ein Innendruck im Gasraum 4 gemessen. Dieser Innendruck ist repräsentativ für den Systemdruck S im gesamten Kühlmittelsystem.
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Der Ausgleichsbehälter 3 ist mittels zumindest einer Verbindungsleitung 8 mit dem übrigen Kühlmittelkreislauf 2 der Brennkraftmaschine gekoppelt. In dieser Verbindungsleitung 8 ist ein Temperatursensor 9 angeordnet, welcher eine Kühlmitteltemperatur T erfasst. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Temperatursensor 9 an einer anderen Position im Kühlmittelkreislauf 2 angeordnet sein.
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Um den Systemdruck S im Kühlmittelkreislauf 2 während des Betriebs der Brennkraftmaschine auf den jeweiligen Optimalwert einzustellen, wird zusätzlich die Kühlmitteltemperatur T bestimmt. Aus einem nicht dargestellten Druck-Temperatur-Kennfeld, welches in einer Steuereinheit 10 hinterlegt ist, wird der gemessenen Kühlmitteltemperatur T ein jeweiliger Solldruck SD zuordnet, welcher gerade hoch genug ist, dass es zu keiner Kavitation bzw. Dampfblasenbildung im Kühlmittel KM kommt.
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Der so ermittelte Solldruck SD wird in der Folge mittels der Vorrichtung 1 im Gasraum 4 des Ausgleichsbehälters 3 eingestellt. Hierzu weist der Ausgleichsbehälter 3 einen Zufuhrstutzen 11 zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Druckluft, auf. Die Druckluft wird bevorzugt von einem herkömmlichen Druckerzeuger 12 bereitgestellt und kann in einem herkömmlichen Vorratsbehälter 13 vorgehalten werden.
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Über ein von der Steuereinheit 10 angesteuertes Druckregelventil 14 wird solange Druckluft in den Gasraum 4 eingebracht bzw. aus diesem abgeführt, bis der aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld ermittelte Solldruck SD erreicht ist.
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Die Ermittlung des jeweils optimalen Solldrucks SD für das Kühlmedium KM aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld erfolgt dabei kontinuierlich während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine. In jedem Betriebszustand, also zu jeder Kühlmitteltemperatur T, wird somit lediglich genau der Druck im Kühlmittelkreislauf 2 eingestellt, welcher notwendig ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation zu vermeiden. Eine Überbelastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 2, welche auftreten würde, wenn der Systemdruck S im Kühlmittelkreislauf 2 ständig auf dem Maximaldruck gehalten würde, wird somit vorteilhaft vermieden.
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Zum Abfangen von Druckspitzen kann dabei zusätzlich ein herkömmliches mechanisches Druckbegrenzungsventil 15 zwischen dem Druckregelventil 14 und dem Zufuhrstutzen 11 vorgesehen sein.
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In einer alternativen Ausführungsform könnte ein Druckbegrenzungsventil 15 auch zwischen dem Druckregelventil 14 und dem Vorratsbehälter 13 angeordnet sein, um Druckspitzen durch den Druckerzeuger 12 zu verhindern.
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Weiterhin weist der Ausgleichsbehälter 3 ein rein mechanisches Überdruckventil 16 auf, welches nicht mit der übrigen Steuerung in Verbindung steht. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann das Überdruckventil 16 in den Verschlussdeckel 6 des Ausgleichsbehälters 3 integriert sein.
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Überschreitet der Systemdruck S im Gasraum 4 des Ausgleichsbehälters 3 einen vorgebbaren Maximaldruck, so wird gasförmiges Medium aus dem Gasraum 4 mittels des sich öffnenden Überdruckventils 16 in eine Umgebung geleitet, bis der Systemdruck S wieder unter den vorgebbaren Maximaldruck sinkt und sich das Überdruckventil 16 selbsttätig schließt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst insbesondere den Druckerzeuger 12, den Vorratsbehälter 13, das Druckregelventil 14 und/oder das Druckbegrenzungsventil 15. Diese einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 sind bevorzugt gemeinsam auf oder an einer Befestigungsvorrichtung 17 angeordnet und mittels dieser in nicht dargestellter Weise am Fahrzeug befestigt.
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Die Befestigungsvorrichtung 17 ist beheizbar ausgebildet, wobei in einer ersten Ausführungsvariante die Befestigungsvorrichtung 17 mittels einer nicht dargestellten Heizvorrichtung beheizt wird, während in einer zweiten Ausführungsvariante die Heizvorrichtung derart in die Befestigungsvorrichtung 17 integriert ist, dass Befestigungsvorrichtung 17 und Heizvorrichtung eine bauliche Einheit ausbilden.
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In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung sind der Druckerzeuger 12, der Vorratsbehälter 13 und das Druckregelventil 14 jeweils an separaten eigenständigen Befestigungsvorrichtungen im Fahrzeug befestigt. Die separaten Befestigungsvorrichtungen können insbesondere jeweils einzeln oder gemeinsam beheizbar sein.
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Die Heizvorrichtung kann als herkömmliche elektrische Heizvorrichtung, beispielsweise eine herkömmliche Widerstandsheizung, ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizvorrichtung als ein von einem flüssigen oder einem gasförmigen Medium durchströmbarer Wärmetauscher ausgebildet. Dabei ist der Wärmetauscher mit einem Kühlmedium KM der Brennkraftmaschine, heißen Gasen aus einer Brennkraftmaschineentlüftung, einem Kühlmedium einer Standheizung oder mit der Abwärme eines Abgasrückführungskühlers beaufschlagbar.
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Die separaten Befestigungsvorrichtungen der einzelnen Bauteile können insbesondere bei elektrischen Heizvorrichtungen einzeln unterschiedlich beheizbar sein, was bedarfsgerecht erfolgen kann, so dass ein Energieverbrauch der Heizung reduziert wird. Bei einer Heizvorrichtung mit einem flüssigen oder einem gasförmigen Medium können separaten Befestigungsvorrichtungen seriell oder parallel verschaltet sein. Bei serieller Verschaltung der Heizvorrichtungen der Befestigungsvorrichtungen wird das Bauteil mit dem höchsten Heizbedarf in der Verschaltung als erstes beheizt. Bei paralleler Verschaltung der Heizvorrichtungen der Befestigungsvorrichtungen können über Ventile und/oder Drosseln der Zufluss und damit der Wärmestrom zu den einzelnen Befestigungsvorrichtungen gesteuert werden, was so auch eine bedarfsgerechte Heizwirkung ermöglicht.
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Der Wärmetauscher kann dabei im Voll- oder im Teilstrom vom Medium durchströmt werden, d. h. im Teilstrom wird nur ein Teil des jeweiligen Mediums durch den Wärmetauscher geleitet, während im Vollstrom das gesamte jeweilige Medium durch den Wärmetauscher strömt.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Heizwirkung der Vorrichtung 1 durch eine Leitung des Kühlmittelkreislaufs 2, insbesondere einer Entlüftungsleitung, welche entweder im Teilstrom oder Vollstrom durch die Befestigungsvorrichtungen 17 hindurchgeleitet wird. Analog wäre auch eine Anordnung einer bereits vorhandenen Leitung des Kühlmittelkreislaufs 2 an der Befestigungsvorrichtungen 17 möglich, insbesondere an einer Ventilplatte, so dass durch die Anordnung und einen thermischen Kontakt zwischen der Leitung und der Befestigungsvorrichtungen 17, die Befestigungsvorrichtungen 17 durch das erwärmte Kühlmedium im Kühlmittelkreislaufs 2, im Vollstrom der bereits vorhandenen Leitung, beheizt werden kann.
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Mittels der Beheizung der Befestigungsvorrichtung 17 sind die daran angeordneten Komponenten der Vorrichtung 1 indirekt beheizbar. Dazu sind die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 wärmeleitend mit der Befestigungsvorrichtung 17 gekoppelt.
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Mittels der Beheizung der Befestigungsvorrichtung 17 ist ein Einfrieren der Vorrichtung 1 bei einem Betrieb des Fahrzeugs bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes sicher vermieden. Insbesondere ist das Einfrieren von Kondenswasser in einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 und eine daraus resultierende Funktionsunfähigkeit der Vorrichtung 1 sicher vermieden. Besonders vorteilhafterweise sind aus dem Einfrieren resultierende Schäden am Kühlmittelkreislauf 2 und/oder der Brennkraftmaschine verhindert.
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Besonders vorteilhafterweise ist eine Beheizung der Vorrichtung 1 zum Steuern des Systemdrucks S im Kühlmittelkreislauf 2 der Brennkraftmaschine vor allem im Winterbetrieb, bei kalten Außentemperaturen kleiner als 0° Celsius, während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine, bei eingeschalteter Zündung des Fahrzeugs und/oder bei aktivierter Standheizung ermöglicht, so dass eine Temperatur der Vorrichtung 1 oberhalb eines vorgebbaren Temperaturschwellwerts von beispielweise 30° Celsius gehalten wird.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 ermittelt die Steuereinheit 10 mittels des Temperatursensors 9 und/oder eines zusätzlichen Umgebungstemperatursensors 18 die Temperatur des Kühlmediums KM und/oder der Umgebungsluft. Unterschreitet eine dieser Temperaturen den Gefrierpunkt, mithin 0° Celsius, wird die der Befestigungsvorrichtung 17 zugeordnete Heizvorrichtung von der Steuereinheit 10 gesteuert und/oder geregelt aktiviert, bis die Temperatur der Vorrichtung 1 oberhalb des vorgebbaren Temperaturschwellwerts liegt.
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In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführung wird die Heizvorrichtung im Dauerbetrieb genutzt. Hierbei könnte der Umgebungstemperatursensors 18 entfallen und eine Steuerung der Heizvorrichtung, sowie etwaige dafür notwendige Schalter und/oder Ventile, was die Vorrichtung einfach und betriebsicher macht. Ein Aufheizen der Vorrichtung 1 findet so gesichert immer statt und somit eine frostsichere Betriebsbereitschaft der Vorrichtung 1.
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Bei geringer Heizleistung sorgt Wärmeabstrahlung oder ein allgemeiner Wärmeabtransport dafür, dass trotz permanenter Heizung sich eine Grenztemperatur einstellt, die für die Vorrichtung 1 unschädlich ist.
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Insbesondere bei einer Heizvorrichtung, die das Kühlmedium KM zum Heizen nutzt, ist ein steuerungsfreier Dauerbetrieb vorteilhaft, da keinerlei zusätzliche Steuervorrichtungen notwendig sind und das Kühlmedium KM im Vollstrom einfach dauerhaft durch die Heizvorrichtung fließt.
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Ein Überhitzen der Befestigungsvorrichtung 17 und Vorrichtung 1 findet nicht statt, da das Kühlmedium KM durch Kühlung nicht über eine Grenztemperatur erhitzt wird und so die Befestigungsvorrichtung 17 die Grenztemperatur auch nicht überschreitet. Des Weiteren wäre die Heizvorrichtung über den Kühlmittelkreislauf 2 auch mit einer möglicherweise vorhandenen Motorvorerwärmung verbunden, was eine einfache Vorerwärmung der Vorrichtung 1 mit dem Motor zusammen und eine gemeinsame Einsatzbereitschaft von Motor und Vorrichtung 1 ermöglichen würde.
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Dabei kann eine Beheizung der Befestigungsvorrichtung 17 und somit der einzelnen Komponenten der Vorrichtung 1 sowohl im Stand des Fahrzeugs als auch während der Fahrt erfolgen.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Drucksensor 7 auch an einer Position direkt am Druckbegrenzungsventil 15 oder am Druckregelventil 14 angeordnet sein, welches je nach Ausführungsform mit dem Gasraum 4 des Ausgleichsbehälters 3 in Kontakt steht und so an der Position des Druckbegrenzungsventils 15 oder des Druckregelventils 14 den Druck im Gasraumes 4 bestimmen kann.
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Durch die Anordnung des Drucksensors 7 am Druckbegrenzungsventil 15 oder am Druckregelventil 14 kann die Vorrichtung 1 zur Nachreglung des Druckes als bauliche Einheit ausgeführt sein, die zugleich den Drucksensor 7 enthält und so eigenständig in verschiedene Kraftfahrzeuge einbaubar ist.
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Ein im Kraftfahrzeug bereits vorhandener Temperatursensor 9 liefert dann noch die Kühlmitteltemperatur, so dass eine eventuelle Nachrüstung des Kraftfahrzeuges mit einer solchen Vorrichtung einfach ermöglicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Kühlmittelkreislauf
- 3
- Ausgleichsbehälter
- 4
- Gasraum
- 5
- Nachfüllstutzen
- 6
- Verschlussdeckel
- 7
- Drucksensor
- 8
- Verbindungsleitung
- 9
- Temperatursensor
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Zufuhrstutzen
- 12
- Druckerzeuger
- 13
- Vorratsbehälter
- 14
- Druckregelventil
- 15
- Druckbegrenzungsventil
- 16
- Überdruckventil
- 17
- Befestigungsvorrichtung
- 18
- Umgebungstemperatursensor
- KM
- Kühlmedium
- S
- Systemdruck
- SD
- Solldruck
- T
- Külhlmitteltemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009018012 A1 [0003]
