DE19611095A1 - Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung geht nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 von der EP-A 0295445 aus.

Bei diesem bekannten Kühlsystem dient der von einer Vorlaufleitung durchsetzte Behälter der Luft- und Brenngasabscheidung aus dem Kühlmittel, wobei die abge­ schiedenen Gase mittels eines Überdruckventiles in einer gegen einen Verschluß des Einfüllstutzens dieses Behälters elastisch abgestützt angeordneten Ventilein­ heit einem atmosphärisch beaufschlagten Ausgleichs-, Vorrats- und Luftsperrbe­ hälter zugeführt sind. Dieser Ausgleichsbehälter enthält neben einer Kühlmittelvor­ lage ein Ausdehnungsvolumen, das von einem unter einem vorbestimmten Über­ druck stehenden Gaspolster erfüllt ist.

Zu den im wesentlichen aus starren Wänden gebildeten Ausgleichsbehälter zum Ausgleich thermisch bedingter Volumenänderungen des Kühlmittels kommen als zusätzliche Ausgleichseinrichtungen elastische Verbindungsschläuche zwischen der Brennkraftmaschine und dem Kühler in Frage, wie dies zum Beispiel aus der US 3208438 an sich bekannt ist.

Ausgleichsbehälter mit zumindest bereichsweise elastisch nachgiebigen Einrich­ tungen sind aus der US 3238932 und der DD-PS 1 36 280 bekannt.

Bei den vorbeschriebenen Systemen erfolgt der notwendige Druckaufbau im jewei­ ligen Kühlsystem durch Komprimieren eines Puffer- Luft-/Gasvolumens, und zwar vorzugsweise im Ausgleichsbehälter. Nachteilig hierbei ist ein relativ großes Ausdehnungsvolumen, um die Volumenzunahme des Kühlmittels auch unter ex­ tremen Temperaturbedingungen, wie zum Beispiel Nachheizen bei heiß abgestell­ ter Brennkraftmaschine, aufnehmen zu können, um einen eventuellen Kühlmittel- Auswurf bzw. Kühlmittel-Verlust zu verhindern. Da weiter der Druckaufbau wesent­ lich von der Volumenaufteilung im Ausgleichsbehälter zwischen Kühlmittel-Vorlage und Puffer- Luft-/Gasvolumen bestimmt ist, ist auch unter Berücksichtigung von Leckage- und Verdampfungsverlusten ein Mindest-Füllstand im Ausgleichsbehälter erforderlich. Die Anforderung nach großem Puffer- Luft-/Gasvolumen und ausrei­ chender Mindest-Vorlage an Kühlmittel ergibt einen relativ großen Ausgleichsbe­ hälter, der aufgrund seines Platzbedarfes im Motorraum schwierig zu plazieren ist und gegebenenfalls ungünstige Leitungsanordnungen bedingt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß gattungsgemäße Kühlsystem da­ hingehend zu verbessern, daß der im Kühlsystem zur Vermeidung vorzeitigen Sie­ dens und zur Vermeidung einer Pumpen-Kavitation erforderliche Druck ohne ein vorgespanntes Puffer- Luft-/Gasvolumen erzielt ist.

Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 gelöst. Der Vorteil der Erfindung ist in der Kombination einer mechanisch im Kühlmittel erzeugten Druckspannung mit einer Vorlauf-Systemdrucksteuerung zu sehen, wobei die Druckabsteuerung in eine atmosphärisch beaufschlagte und damit drucklose Kühlmittel-Vorlage erzielt ist. Dies ergibt eine vorteilhaft kleinbauende Befüll-, Entlüftungs- und Drucksteuer- Vorrichtung, die vorzugsweise im Kühlsystem-Vorlauf von der Brennkraftmaschine zum Kühler angeordnet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben. Die im Anspruch 2 beschriebene lösbare Anordnung der aus Überdruck- und Entlüftungs- und Rücklauf-Ventil gebildeten Ventileinheit im Ventilstutzen der Vor­ laufleitung ermöglicht eine rasche Kaltbefüllung des gesamten Kühlsystems mit rascher, zuverlässiger Entlüftung. Die weiter im Anspruch 2 beschriebene Anord­ nung der Ventileinheit im Ventilstutzen mittels elastischer Abstützung gegen einen im Einfüllstutzen lösbar angeordneten Einsatz ergibt in Verbindung mit der drucklo­ sen Kühlmittel-Vorlage bei betriebswarmen Kühlsystem den Vorteil, daß ein Öffnen der Vorlagekammer ohne Druckverlust im Kühlsystem und ohne Risiko für den Kontrollierenden durch Kühlmittel-Auswurf eine Überprüfung der Kühlmittel-Vorlage und gegebenenfalls eine Warmbefüllung möglich ist.

Ein nach einem Teilmerkmal des Anspruches 1 die Ausgleichskammer mit der Vorlagekammer verbindendes Entlüftungs- und Rücklaufventil und ein gemäß ei­ nem Teilmerkmal des Anspruches 3 die Vorlaufleitung des Kühlsystems mit der Vorlagekammer verbindendes Entlüftungs- und Rücklaufventil sind jeweils als ein Thermoventil gestaltet, die ab einer vorbestimmten Betriebstemperatur Gas- und Kühlmittelaustausch unterbinden und somit zu einem gefahrlosen Öffnen der Kühlmittel-Vorlagekammer vorteilhaft beitragen.

Der weiter oben bereits erwähnte, im Einfüllstutzen lösbar angeordnete Einsatz als Widerlager einer die Ventileinheit bezüglich des Überdruckventils in Schließstel­ lung haltenden Feder ist gemäß Anspruch 4 vorzugsweise topfartig gestaltet mit einer im Boden angeordneten Kontrollöffnung zur Kontrolle des Warmfüllstandes. Schließlich beschreibt Anspruch 5 die verlagerbare Begrenzung der Ausgleichs­ kammer als einen mit dieser über einen Rollbalg kühlmitteldicht angeordneten Ver­ drängerkolben, der von einer vorgespannten Druckfeder beaufschlagt ist. Die Vor­ spannung der Druckfeder kann so gewählt sein, daß bis zum Erreichen des durch thermisch bedingte Volumenänderung des Kühlmittels im Kühlsystem erzeugten Druckes vorbestimmte Höhe eine entsprechend geringe Verlagerung des Verdrän­ gerkolbens gegeben ist.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Kühlsystem einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Befüll-, Entlüftungs- und Drucksteuer-Vorrich­ tung,

Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Fig. 3 für eine Kaltbefüllung vorbereitet,

Fig. 4 die Vorrichtung gemäß Fig. 3 bei Motorbetrieb,

Fig. 5 die Vorrichtung gemäß Fig. 3 bei Warmbefüllung, z. B. bei laufendem Motor, und schließlich

Fig. 6 die Vorrichtung gemäß Fig. 3 beim Abkühl-Vorgang einer abgestell­ ten Brennkraftmaschine.

Ein Kühlsystem 1 für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine 2 umfaßt einen Vorlauf 3 zum Kühler 4 und von diesem zur Brennkraftmaschine 2 zurück einen Rücklauf 5, der an ein Gehäuse 6 eines Thermostaten 7 angeschlossen ist. Aus dem Gehäuse 6 mit den Kurzschluß 8 betriebsbedingt verschließendem Thermostaten 7 fließt das Kühlmittel über eine Saugleitung 9 einer Pumpe 10 zu, die das Kühlmittel in die Brennkraftmaschine 2 fördert.

Im Vorlauf 3 ist zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Kühler 4 eine erfin­ dungsgemäße Befüll-, Entlüftungs- und Drucksteuer-Vorrichtung 11 angeordnet.

Gemäß den Fig. 2 mit 6 umfaßt die Vorrichtung 11 einen Behälter 12, der von einer mit dem Vorlauf 3 verbundenen Vorlaufleitung 13 durchsetzt ist. Die Vorlauf­ leitung 13 weist einen fest angeordneten Ventilstutzen 14 auf, der eine Trennwand 15 des Behälters 12 dichtdurchsetzend angeordnet ist und mit seiner Ventilöffnung 16 in eine Kammer 17 für eine atmosphärisch beaufschlagte Kühlmittel-Vorlage 18 mündet.

Unterhalb der Trennwand 15 weist der Behälter 12 eine weitere, geodätisch tiefer angeordnete Kammer 19 auf, die mittels eines gegen den elastischen Widerstand einer Druckfeder 20 verlagerbaren Verdrängerkolbens 21 einem Kühlmittelvolu­ men-Ausgleich dient. Mittels eines Rollbalges 22 ist der Verdrängerkolben 21 kühlmitteldicht der Ausgleichskammer 19 zugeordnet.

Diese Ausgleichskammer 19 steht über einen Anschlußstutzen 23 und eine Leitung 23′ mit der in Fig. 1 dargestellten Pumpen-Saugleitung 9 in kühlmittelführender Verbindung. Mit der Kühlmittel-Vorlagekammer 17 ist die Ausgleichskammer 19 über ein temperaturgesteuertes Entlüftungs- und Rücklaufventil 24 verbunden. Derartige Thermoventile sind bekanntlich zum Beispiel mit einem Bimetallelement ausgerüstet, das ein Kugel-Ventil in Schließposition bringt und hält nach Über­ schreiten einer vorbestimmten Temperatur.

In dem Ventilstutzen 14 der Vorlaufleitung 13 ist zur Steuerung der Ventilöffnung 16 eine Ventileinheit 25 gegen den Widerstand einer gegen einen in einem Ein­ füllstutzen 26 der Vorlagekammer 17 eingeschraubt angeordneten Einsatz 27 ab­ gestützten Feder 28 verlagerbar angeordnet. Die Ventileinheit 25 selbst dient zur Systemdrucksteuerung des Kühlsystems 1 als in die atmosphärisch belüftete Kühlmittel-Vorlagekammer 17 öffnendes Überdruckventil 29.

Die Ventileinheit 25 umfaßt ferner ein Entlüftungs- und Rücklaufventil 30, das als Thermoventil vorbeschriebener Ausgestaltung eine zwischen der Vorlagekammer 17 und der Vorlaufleitung 13 wirksame Entlüftungs- und Rücklaufbohrung 31 in dem als Sitzventil gestalteten Überdruckventil 29 temperaturabhängig steuert.

Ein Verschluß 32 des Einfüllstutzens 26 der Vorlagekammer 17 umfaßt neben dem einschraubbaren, topfartig gestalteten Einsatz 27 einen mit diesem Einsatz 27 ver­ schraubbaren Verschlußdeckel 33 mit einer Entlüftungsbohrung 34. Der topfartige Einsatz 27 weist ferner in dem als Anschlag der Feder 28 der Ventileinheit 25 die­ nenden Boden 35 einer der Kontrolle des Warmfüllstandes in der Vorlagekammer 17 dienende Kontrollöffnung 36 sowie im Umfangsteil 37 verschlußdeckelnah an­ geordnete Entlüftungskanäle 38 auf.

Mit der vorbeschriebenen, erfindungsgemäßen Anordnung kann mit der Entfernung des Verschlußdeckels 33, des Einsatzes 27 und der Ventileinheit 25 aus dem Ventilstutzen 14 über diesen eine Kaltbefüllung des Kühlsystems 1 der Brenn­ kraftmaschine 2 in zügigem Ablauf erfolgen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Kaltbe­ füllung besteht gegenüber herkömmlichen Systemen eine Funktionsverbesserung, da das Kühlmittel gleichzeitig in die Brennkraftmaschine 2 und in den Kühler 4 ge­ langt und die im Brennkraftmaschinen-Kühlmantel befindliche Luft während des Befüllvorganges über die offene Vorlagekammer 17 einerseits und durch das ge­ öffnete Ventil 24 andererseits entweichen kann. Eine bekanntlich nur durch Unter­ druck erzielbare schnelle und vollständige Befüllung ist mit dem dargestellten System ohne Zusatzaufwand möglich.

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung 11 im Betrieb der Brennkraftmaschine 2, wobei die Ventile 24 und 30 geschlossen zu denken sind. Hierbei besteht entsprechend der temperaturbedingten Kühlmittel-Volumenzunahme ein eindeutiger, hysterisefreier Zusammenhang zwischen Kühlmitteltemperatur und Federkraft der Druckfeder 20 bzw. dem Druck in der Ausgleichskammer 19.

Weiter bietet die erfindungsgemäße Anordnung in der Vorrichtung 11 in vorteilhaf­ ter Weise eine Warmbefüllung des Kühlsystems 1 ohne Verlust des Systemdruckes und ohne Risiko durch Kühlmittel-Auswurf gemäß Fig. 5 dadurch, daß bei eingesetzter und gegen den eingeschraubten Einsatz 27 elastisch abge­ stützter Ventileinheit 25 mit wirksam verschlossenem Thermoventil 30 lediglich der Verschlußdeckel 33 zu der atmosphärisch beaufschlagten Vorlagekammer 17 zu entfernen ist für eine eventuelle Kühlmittel-Nachfüllung über die Kontrollöffnung 36 im Boden 35 des Einsatzes 27. Hierbei bleibt der Systemdruck erhalten, wobei das fehlende Kühlmittel nach dem Öffnen der beiden Entlüftungs- und Rücklaufventile 24 und 30 im Verlauf des nächsten Abkühlvorganges in Brennkraftmaschine 2 und Kühler 4 Lufteinschlüsse entweichen können, wie dies in Bild 6 dargestellt ist.

Bild 6 zeigt schließlich während eines Abkühlvorganges des Kühlsystems 1 nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine 2 einen insbesondere Entgasungsvorgang, wobei Luft- und Brenngase durch die geöffneten Ventile 24 und 30 und über die drucklose Vorlagekammer 17 durch die Entlüftungskanäle 38 und die Entlüftungs­ bohrung 34 im Verschlußdeckel 33 in die Atmosphäre entweichen und anschlie­ ßend Kühlmittel aus der Vorlagekammer 17 in das Kühlsystem 1 vordringt.

Die erfindungsgemäße Befüll-, Entlüftungs- und Drucksteuer-Vorrichtung 11 weist zusammengefaßt folgende Vorteile auf:
Druckbegrenzung im Bereich des Eintrittes des Vorlaufes 3 in den Kühler 4, wobei austretendes Kühlmittel nicht verloren geht, sondern in der Vorlagekammer 17 vor­ gelagert und beim nächsten Abkühlvorgang wieder dem Kühlsystem 1 zugeführt wird;
Trennung von Luft/Gas und Kühlmittel während der Druckaufbauphase beim Warmlauf;
Systembelüftung nach jedem Abkühlvorgang. Damit wird die insbesondere bei Die­ selmotoren durch Brenngas-Übertritt ins Kühlmittel hervorgerufene Aufpump-Nei­ gung des Kühlsystems 1 unterdrückt;
Abhängigkeit des Druckaufbaues - abgesehen von systembedingten Größen wie Kühlmittel-Gesamtinhalt, Wasser/Glykol-Mischungsverhältnis und Schlauch- Elastizität - ausschließlich von einer Einflußgröße, nämlich der Steifigkeit der Druckfeder 20.

Claims (7)

1. Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine

• - mit einer elastisch nachgiebigen Einrichtung zum Ausgleich thermisch be­ dingter Volumenänderungen bis zu einem vorbestimmten Systemdruck des mittels einer Pumpe (10) umgewälzten Kühlmittels, und
• - einer Vorrichtung (11) zur Systemdrucksteuerung in einer Vorlaufleitung (13), wobei
• - die einen Behälter (12) durchsetzend angeordnete Vorlaufleitung (13) ei­ nen mit einem Einfüllstutzen (26) im wesentlichen fluchtend angeordneten Ventilstutzen (14) aufweist zur Aufnahme einer entgegengesetzte Durch­ flußrichtungen steuernden Ventileinheit (25), die
• - gegen einen Verschluß (32) des Einfüllstutzens (26) elastisch abgestützt im Ventilstutzen (14) verlagerbar angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Ventilstutzen (14) eine Trennwand (15) des Behälters (12) dicht durchsetzend angeordnet ist mit einer Ventilöffnung (16) in eine Kammer (17) für eine atmosphärisch beaufschlagte Kühlmittel-Vorlage (18), und
• - daß eine weitere, geodätisch tiefer angeordnete Kammer (19) des Behäl­ ters (12) mittels einer gegen elastischen Widerstand verlagerbaren Be­ grenzung (21) einem Kühlmittelvolumen-Ausgleich dient, wobei
• - die Ausgleichskammer (19) über einen Anschlußstutzen (23) mit einer Pumpen-Saugleitung (9) des Kühlsystems (1) und ferner mit der Kühlmit­ tel-Vorlagekammer (17) über ein temperaturgesteuertes Entlüftungs- und Rücklauf-Ventil (24) in Verbindung steht.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Ventilstutzen (14) der Vorlaufleitung (13) mit einer zur Kaltbefül­ lung des Kühlsystems (1) entfernbar angeordneten Ventileinheit (25) aus­ gebildet ist, die
• - bei Warmbefüllung des Kühlsystems (1) gegen einen in Niveauhöhe des Warmfüllstandes in der Vorlagekammer (17) vorgesehenen Anschlag (Boden 35) eines im Einfüllstutzen (26) lösbar angeordneten Einsatzes (27) elastisch abgestützt im Ventilstutzen (14) eingesetzt ist.

3. Kühlsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ventileinheit (25) ein mit einem Überdruckventil (29) baulich kom­ biniertes Entlüftungs- und Rücklauf-Ventil (30) umfaßt, wobei
• - das als Thermoventil gestaltete Entlüftungs- und Rücklaufventil (30) eine zwischen Vorlagekammer (17) und Vorlaufleitung (13) wirksame Entlüf­ tungs- und Rücklaufbohrung (31) in dem als Sitzventil gestalteten Über­ druckventil (29) temperaturabhängig steuert.

4. Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Verschluß (32) des Einfüllstutzens (26) der Vorlagekammer (17) einen mit dem Einfüllstutzen (26) verschraubbaren, topfartig gestalteten Einsatz (27) sowie
• - einen mit dem Einsatz (27) zusammenwirkenden Verschlußdeckel (33) mit einer Entlüftungsbohrung (34) umfaßt, wobei
• - der Einsatz (27) in dem als Anschlag der Feder (28) der Ventileinheit (25) dienenden Boden (35) eine der Kontrolle des Warmfüllstandes dienende Kontrollöffnung (36) sowie im Umfangsteil (37) verschlußdeckelnah ange­ ordnete Entlüftungskanäle (38) aufweist.

5. Kanalsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Ausgleichskammer (19) als verlagerbare Begrenzung einen mittels eines Rollbalges (22) kühlmitteldicht angeordneten Verdrängerkolben (21) umfaßt, der
• - von einer gegen den Behälter (12) abgestützt, vorgespannt angeordneten Druckfeder (20) beaufschlagt ist.

6. Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüll-, Entlüftungs- und Drucksteuer-Vorrichtung (11) mit atmosphärisch be­ aufschlagter Kühlmittel-Vorlage (18) über die Vorlaufleitung (13) unmittelbar im Vorlauf (3) von der Brennkraftmaschine (2) zum Kühler (4) angeordnet ist.