DE3718697C2 - Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Kühlanordnungen dieser prinzipiellen Bauweise sind an sich bekannt. Bei diesen ist das gesamte Kühlmittelspeichervolumen des Kühlmittelausgleichsbehälters in den Nebenschlußkreislauf des Kühlmittels eingeschaltet, der beispielsweise auch bei einem durch das Thermostatventil bewirkten Kühlmittelkurzschlußbetrieb zugeschaltet bleibt. Dieser Kurzschlußbetrieb wird insbesondere während des Kaltstarts und während der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine eingeschaltet, um das Kühlmittel unter Umgehung des Kühlers unmittelbar in die Brennkraftmaschine zurückzufördern und so möglichst schnell eine einen runden Motorlauf mit verhältnismäßig geringen Schad­ stoffwerten ergebende Betriebstemperatur zu erreichen.

Um diese Warmlaufphase des Motors relativ kurz zu halten, soll die während dieser Betriebszeit umgewälzte Kühlmittelmenge möglichst klein bleiben. Zu dieser Kühl­ mittelmenge gehört dabei auch das im Nebenschlußkreislauf umlaufende Speicher­ volumen des Kühlmittelausgleichsbehälters, der schon deshalb während des Kühlmit­ telkurzschlußbetriebes zugeschaltet bleiben muß, um eine sichere Luft- und Gas­ blasenabscheidung zu gewährleisten und eine Wärmeausdehnung des Kühlmittels zu ermöglichen. Da das gesamte Speichervolumen des Kühlmittelausgleichsbehälters einen von der Größe der gesamten Kühlanordnung abhängigen endlich großen Wert nicht unterschreiten sollte, wird dieses relativ große Speichervolumen bei den her­ kömmlichen Kühlanordnungen auch im Kurzschlußbetrieb mitumgewälzt, so daß die Verkürzung der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine begrenzt bleibt.

Aus der DE 31 34 475 A ist eine Kraftfahrzeugkühlanlage mit einem Ausgleichsbehälter bekannt, der über eine Überströmleitung oder ein Kapillarröhrchen aus dem Kühler gefüllt wird und dessen Auffüllkanal saugseitig mit der Kühlmittelpumpe verbunden ist. Sobald das Kühlmittel während des Betriebes der Anlage erwärmt wird und sich dabei ausdehnt, läuft das unter Druck stehende Kühlmittel von dem Kühler in den Ausgleichsbehälter. Dies führt dazu, daß während der Kaltlaufzeit der Brennkraftmaschine praktisch keine Entlüftung stattfindet.

Aus der DE 34 30 115 C ist ein Ausgleichsbehälter für den Kühlkreislauf von Brennkraftmaschinen bekannt, der mehrere Kammern aufweist. Der Behälter ist derart multifunktionell ausgebildet, daß, je nach Anordnung eines Verschlußdeckels oder zweier Verschlußdeckel mit Drucksteuerventilen, er an verschiedenen Kühlsystemen einsetzbar ist. Auch dieser Kühlmittelausgleichsbehälter verhindert nicht die oben beschriebenen Nachteile.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Kühlanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei der zum Zwecke der Verkürzung der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine die im Kurz­ schlußbetrieb umgewälzte Kühlmittelmenge ohne Nachteile verringert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Die erfindungsgemäße Ausbildung erreicht die beabsichtigte Reduzierung der Warm­ laufzeit der Brennkraftmaschine dadurch, daß das in den Nebenschlußkreislauf einbe­ zogene Kühlmittelvolumen durch Abteilung eines entsprechend kleinen Speicherraums in dem Kühlmittelausgleichsbehälter und Anschluß dieses kleineren Speicherraums an den Nebenschlußkreislauf entscheidend reduziert wird. Es braucht also während des Kurzschlußbetriebes nicht mehr das gesamte Speichervolumen des Kühlmittel­ ausgleichsbehälters, sondern nur noch ein kleinerer Teil desselben auf die Betriebs­ temperatur erwärmt zu werden, was entsprechend schneller vor sich geht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Merkmalen der Unteran­ sprüche enthalten.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlanord­ nung, jeweils anhand eines schematischen Schaltbildes der Kühlanordnung sowie eines Längsschnittes durch den Ausgleichsbehälter, dargestellt, die im folgenden näher erläutert werden.

In den Figuren der Zeichnung sind jeweils gleiche oder vergleichbare Bauteile mit den gleichen bzw. mit einem Strich versehenen Bezugsziffern bezeichnet worden. Dabei soll zunächst die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kühlanordnung beschrie­ ben werden. In dem in der Fig. 1 gezeigten schematischen Schaltbild stellt 1 das Gehäuse der Brennkraftmaschine und 1a den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine dar, die durch ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere Wasser, gekühlt wird. Dabei wird ein Hauptkreislauf gebildet, der aus einer in einem oberen Bereich des Zylinder­ kopfes 1a angeschlossenen und zu einem vorzugsweise durch Luft gekühlten Kühler 2 führenden Abführungsleitung 3 sowie einer von dem Kühler 2 über ein Thermostatventil 6 und eine Kühlmittelpumpe 5 zum Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine 1 führenden Hauptrückführungsleitung 4 besteht. Mit 7 ist daneben eine Kurzschluß­ leitung angegeben, die unmittelbar von dem Kühlmittelausgang der Brennkraftma­ schine 1 bzw. des Zylinderkopfes 1a zu dem Thermostatventil 6 führt und von die­ sem in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels, insbesondere beim Kalt­ start und während des Warmlaufs der Brennkraftmaschine, bei gleichzeitiger Abschal­ tung des Hauptkreislaufes zugeschaltet wird, so daß eine beschränkte Kühlmittel­ menge unter Umgehung des Kühlers 2 umläuft. Auf diese Weise kann relativ schnell nach dem Kaltstart eine für einen effektiven Betrieb der Brennkraftmaschine ge­ eignete Betriebstemperatur erreicht werden.

Mit 8 ist eine ebenfalls einen Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes 1a angeschlossene Heizleitung angegeben, die einen Teil des in der Brennkraftmaschine angewärmten Kühlmittels zu einem Wärmetauscher 9 führt, in dem die Wärme an ein den Fahrzeuginnenraum beaufschlagendes Trägermedium, beispielsweise an im geschlossenen Kreislauf umlaufende Luft, abgegeben wird. Die Heizleitung 8 mündet dann auf der Ansaugseite der Kühlmittelpumpe 5, auf der auch eine mit 12 bezeichnete Rücklaufleitung eines Nebenschlußleitungssystems einmündet. Dieses Nebenschlußleitungssystem weist einen Kühlmittelausgleichsbehälter 10 auf, in den eine von der geodätisch höchsten Stelle des Kühlers 2 abgehende Entlüftungsleitung 11 einmündet, über die ständig, das heißt sowohl während der Zuschaltung des Haupt­ leitungssystems 3, 4 als auch während der Einschaltung des Kurzschlußleitungssystems 7 ein Teil des von der Brennkraftmaschine abgegebenen, erwärmten Kühlmittels in den Kühlmittelausgleichsbehälter 10 transportiert wird.

Der Kühlmittelausgleichsbehälter hat dabei die Aufgabe, die im Kühlmittelkreislauf vorhandenen Luft- und Gasblasen abzuscheiden, eine durch Temperatureinwirkung bedingte Volumenänderung des Kühlmittels zu ermöglichen, sowie bei Kühlmittelver­ lusten des Systems eine Reservemenge bereit zustellen. Der Kühlmittelausgleichsbehälter ist daher nach Möglichkeit an einer geodätisch oberhalb des Kühlers 2 und der Brenn­ kraftmaschine 1 liegenden Stelle angeordnet und weist zudem ein Kühlmittelvolumen auf, dessen Kühlmittelspiegel 20 in einem mittleren Bereich zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert gehalten werden sollte. Oberhalb des Kühlmittelspiegels 20 befindet sich innerhalb des Kühlmittelausgleichsbehälters 10 ein Luftraum 21, der über ein in der Fig. 1 nicht dargestelltes Ventilsystem mit der Atmosphäre verbunden ist.

Der von der Erfindung vorgeschlagene Kühlmittelausgleichsbehälter 10 ist nun durch wenigstens eine Trennwand 15 in wenigstens zwei das Kühlmittel speichernde Speicher­ räume 16 und 17 unterteilt. Von diesen beiden Speicherräumen weist nur der kleinere Speicherraum 16 einen Anschluß 14 für die Nebenschluß-Rücklaufleitung 12 auf und es sind Maßnahmen vorgesehen, damit das durch die Entlüftungsleitung 11 und deren Anschluß 13 in den Kühlmittelausgleichsbehälter 10 gelangende erwärmte Kühlmittel nur in den kleineren Speicherraum 16 gelangt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß in den Nebenschlußkreislauf nur das in dem kleineren Speicherraum 16 angesammelte Kühlmittel eingeschlossen ist. Dies bewirkt während des Kurzschlußbetrieb es der erfindungsgemäßen Kühlanordnung eine Reduzierung der umlaufenden Kühlmittelmenge und damit eine Verkürzung der Warmlaufzeit bis zur Erreichung der Betriebstemperatur. Das in dem größeren Speicherraum 17 des Kühlmittelausgleichsbehälters angesammelte Kühlmittel steht aber dennoch als Ausgleichsvolumen zur Verfügung, da dieser Speicher­ raum über am Boden der Trennwand 15 angeordnete Verbindungsöffnungen 24 und 25 mit dem kleineren Speicherraum 16 in Verbindung steht. Beiden Speicherräumen 16 und 17 ist ein gemeinsamer Luftraum 21 im oberen Teil des Gehäuses 19 des Kühlmittelausgleichsbehälters 10 zugeordnet.

In der Fig. 2 ist nun ein Beispiel für eine konstruktive Ausgestaltung eines solchen, in der Fig. 1 angedeuteten Kühlmittelausgleichsbehälters 10 dargestellt. Dabei be­ steht das äußere Gehäuse 19 des Kühlmittelausgleichsbehälters 10 aus zwei durch Ringflansche 27 und 28 miteinander verbindbaren Halbkugelschalen 19a und 19b.

Während die obere Halbkugelschale 19b den Anschluß 13 für die von dem Kühler 2 kommende Entlüftungsleitung 11 sowie einen zentralen Schraubanschluß 22 für einen beispielsweise in der Fig. 4 dargestellten, ein Oberdruckventil 30 enthaltenden Deckel 29 aufweist, ist an der untersten Stelle der unteren Halbschale 19a ein An­ schluß 14 für die zu dem Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine 1 bzw. der Ansaug­ seite der Kühlmittelpumpe 5 führende Nebenschluß-Rücklaufleitung 12 angebracht.

Zwischen beiden Kugelschalen 19a und 19b ist ein die Trennwand bildender, zylindri­ scher oder rohrförmiger Einsatz 15 gehalten, der den Innenraum des Kühlmittelaus­ gleichsbehälters 10 in zwei Speicherräume 16 und 17 unterteilt, von denen der volumen­ mäßig kleinere, hier zylinderförmig ausgebildete Speicherraum 16 mit dem diesen umgebenden volumenmäßig größeren ringförmigen Speicherraum 17 durch am Boden des Einsatzes 15 vorgesehene Verbindungsöffnungen 24 und 25 in Verbindung steht. Dabei sind die Verbindungsöffnungen 24 in einer senkrecht zur Längsachse des rohr­ förmigen Einsatzes 15 am Boden desselben angeordneten Querwand 23 und die Ver­ bindungsöffnungen 25 unmittelbar im Fußbereich des am Boden 26 der unteren Gehäuse­ halbschale 19a aufsetzenden rohrförmigen Einsatzes 15 angeordnet. Mit 18 ist eine am oberen Teil des rohrförmigen Einsatzes 15 vorgesehene trichterförmige Auffang­ schale angegeben, in der das aus dem Anschluß 13 austretende Kühlmittel aufgefangen und in den kleineren Speicherraum 16 geleitet wird, von wo es dann auch über den in diesen Speicherraum einmündenden Anschluß 14 wieder in die Nebenschluß-Rück­ laufleitung 12 abgegeben wird.

Oberhalb des mit 20 angegebenen Kühlmittelspiegels, der aufgrund der Verbindung der beiden Speicherräume 16 und 17 auf gleicher Höhe liegt, ist der gemeinsame Luftraum 21 vorgesehen, der durch ein in den zentralen Anschluß 22 mit Hilfe eines Deckels 29 einschraubbares Überdruckventil 30 (Fig. 4) gegen die Atmosphäre entlastet werden kann.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten Ausführung wird also das über die Entlüftungslei­ tung 11 in den Kühlmittelausgleichsbehälter 10 im Nebenschluß geförderte Kühlmit­ tel unmittelbar in den volumenmäßig kleineren Speicherraum 16 gefördert, von wo es über die Nebenschlußrücklaufleitung 12 direkt zum Kühlmitteleingang der Brenn­ kraftmaschine bzw. zur Saugseite der Kühlmittelpumpe weitergeleitet wird. Nur das in dem kleineren Speicherraum 16 angesammelte Kühlmittelvolumen, das bei­ spielsweise nur etwa 5 bis 20% des gesamten in dem Kühlmittelausgleichsbehälter vorhandenen Kühlmittelvolumens ausmachen kann, nimmt also unmittelbar an dem Kühlmittelnebenschlußkreislauf teil. Das im größeren Speicherraum 17 gesammelte Kühlmittel steht aber dennoch für Volumenausgleichsmaßnahmen im Zusammenhang mit Temperaturänderungen des Kühlmittels und als Reservemenge uneingeschränkt zur Verfügung, da die beiden Speicherräume miteinander zur Durchführung eines Volumenausgleichs in Verbindung stehen.

Die Ausführung nach den Fig. 3 und 4 unterscheidet sich im wesentlichen von der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 dadurch, daß dort auch der größere Speicher­ raum 17′ über einen Anschluß 35 mit einer zweiten Rücklaufleitung 36 in Verbindung steht, die jedoch nicht unmittelbar zu dem Kühlmitteleintritt der Brennkraftmaschi­ ne 1 bzw. zu der Saugseite der Kühlmittelpumpe 5 führt, sondern die an die Haupt- Rücklaufleitung 4 in Strömungsrichtung vor dem Thermostatventil 6 angeschlossen ist. Dies hat zur Folge, daß über diese Rücklaufleitung 36 nur dann Kühlmittel in den Hauptkreislauf abgegeben wird, wenn dieser Hauptkreislauf nach Beendigung der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine in Betrieb ist. Während der Warmlaufzeit erfolgt dagegen eine Umwälzung des Kühlmittels nur über den Kurzschlußkreislauf 7 und den Nebenschlußkreislauf 11, 12′ sowie gegebenenfalls den Heizungskreislauf 8. Folglich wird auch hier aufgrund der Tatsache, daß in dem während der Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine im Nebenschluß umlaufenden Kühlmittelkreislauf nur der kleinere Teil des Kühlmittelvolumens des Kühlmittelausgleichbehälters 10′ umläuft, die Warmlaufzeit der Brennkraftmaschine reduziert. Um während dieses Warmlaufbetriebes der Brennkraftmaschine einen Rückfluß von Kühlmittel aus dem Kühler 2 über die Hauptrücklaufleitung 4 und die zweite Nebenschlußrücklaufleitung 36 in den Aus­ gleichsbehälter 10′ zu verhindern, ist in dieser zweiten Nebenschluß-Rücklaufleitung 36 ein zu der Haupt-Rücklaufleitung 4 hin öffnendes Rückschlagventil 37 eingeschaltet, das während der Warmlaufbetriebszeit der Brennkraftmaschine anspricht.

Wie näher aus der Fig. 4 hervorgeht, besteht auch hier das Gehäuse des Kühlmittel­ ausgleichsbehälter 10′ aus zwei Halbkugelschalen 19a′ und 19b′, die mit Hilfe zweier Ringflansche 27 und 28 miteinander verbindbar sind. Die Unterteilung des Innenraums des Kühlmittelausgleichsbehälters 10′ in zwei unterschiedlich große Speicherräume 16′ und 17′ erfolgt hier durch eine mit der unteren Halbkugelschale 19a′ verbundene zylindrische Wand 31, die bis über den in der Zeichnung mit 20 angedeuteten Kühlmittel­ spiegel hinwegreicht. Der volumenmäßig kleinere Speicherraum 16′ wird hier durch den äußeren Ringraum gebildet, dessen Boden 33 über den Umfang leicht in Richtung auf eine Stelle abfällt, an der der Anschluß 14′ für die Nebenschluß-Rücklaufleitung 12′ vorgesehen ist.

An der untersten Stelle des volumenmäßig größeren Speicherraums 17′ ist ein Anschluß 35 für die zweite Nebenschluß-Rücklaufleitung 36 vorgesehen. Im oberen Bereich der zylindrischen Trennwand 31 ist eine horizontal liegende Querwand 34 vorgesehen, die mit Durchgangsöffnungen 38 versehen ist. Diese Querwand 34 hat die Aufgabe, eine Vermischung des während des Warmlaufbetriebes der Brennkraftmaschine über den Anschluß 13′ in den Kühlmittelausgleichsbehälter 10′ geförderten Kühlmittels, das zunächst in den größeren Speicherraum 17′ gelangt, mit dem unterhalb dieser Querwand 34 befindlichen Speichervolumen zu verhindern. Nach Erreichen der als Oberlauf dienenden Oberkante 32 der Trennwand 31 (Kühlmittelspiegel 20a) gelangt aus der Entlüftungsleitung 11 zufließende Kühlmittel in den kleineren Speicherraum 16′ von wo es dann über den Anschluß 14′ und die Nebenschluß-Rücklaufleitung 12′ unmittelbar zu dem Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine 1 geführt wird. Zu­ mindest während des Warmlaufbetriebes der Brennkraftmaschine, wenn also der Kühl­ mittelkurzschluß unter Umgehung des den Kühler 2 einschließenden Hauptleitungssystems eingeschaltet ist, ergibt sich also in dem mittleren Speicherraum 17′ des in der Fig. 4 gezeigten Kühlmittelausgleichsbehälters 10′ ein Kühlmittelspiegel, der mit 20a angedeutet ist.

Wenn nach Beendigung des Warmlaufbetriebes der Brennkraftmaschine das Thermostat­ ventil 6 den Kurzschluß ab- und den Hauptkühlkreislauf zuschaltet, dann ergibt sich auch ein Ablauf von Kühlmittel aus dem größeren Speicherraum 17′ über den An­ schluß 35 und die an diesen angeschlossene zweite Nebenschluß-Rücklaufleitung 36.

Claims (10)

1. Kühlanordnung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem die Brennkraftmaschine mit einem Kühler verbindenden, eine Kühlmittelpumpe aufweisenden und durch ein Thermostatventil gesteuerten Hauptleitungssystem sowie mit einem Nebenschlußleitungssystem, in dem ein über eine Entlüftungsleitung mit dem Kühler und über eine Rückflußleitung mit dem Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine verbundener Kühlmittelausgleichsbe­ hälter vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelausgleichsbehäl­ ter (10) in wenigstens zwei das Kühlmittel speichernde Räume (16, 17) unterteilt ist, von denen nur der kleinere Speicherraum (16) in den bei vom Thermostatventil (6) abgeschalteten Hauptleitungssystem (3, 4) im Nebenschluß umlaufenden Kühl­ mittelkreislauf eingeschaltet ist.

2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zuführung des in den Kühlmittelausgleichsbehälter (10) gelangenden Kühlmittels in den kleineren Speicherraum (16) vorgesehen sind und daß nur der kleinere Speicherraum (16) einen Anschluß (14) für die unmittelbar mit der Ansaugseite der Kühlmittelpumpe (5) verbundene Rückflußleitung (12) aufweist.

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl­ mittelausgleichsbehälter (10) eine bis über den Kühlmittelspiegel (20) reichende, die beiden Speicherräume (16, 17) voneinander trennende Trennwand (15, 31) auf­ weist und daß den beiden Speicherräumen (16, 17) ein gemeinsamer Luftraum (21) zugeordnet ist.

4. Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Speicher­ räume (16, 17) des Kühlmittelausgleichsbehälters (10) über am Boden der Trenn­ wand (15) angeordnete Verbindungsöffnungen (24, 25) miteinander in Verbindung stehen.

5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelausgleichsbehälter (10) einen das Kühlmittel unmittelbar in den kleineren Speicherraum (16) leitenden Anschluß (13) der Entlüftungsleitung (11) aufweist.

6. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine trichterförmige Schale (18) zum Auffangen und Weiterleiten des über den Anschluß (13) der Entlüftungsleitung (11) in den Kühlmittelausgleichsbehälter (10) gelangenden Kühlmittels in den kleineren Speicherraum (16) vorgesehen ist.

7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Speicherraum (17′) einen Anschluß (35) für eine zweite Rücklauflei­ tung (36) aufweist, die an die von dem Kühler (2) zu dem Thermostatventil (6) führende Hauptrücklaufleitung (4) angeschlossen ist.

8. Kühlanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Rück­ laufleitung (36) ein zur Hauptrücklaufleitung (4) öffnendes Rückschlagventil (37) eingeschaltet ist.

9. Kühlanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittel­ ausgleichsbehälter (10′) einen das Kühlmittel in den größeren Speicherraum (17′) leitenden Anschluß (13′) der Entlüftungsleitung (11) aufweist und daß die Trenn­ wand (31) eine Oberlaufkante (32) zur Weiterleitung des Kühlmittels in den kleineren Speicherraum (16′) aufweist.

10. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der größere Speicherraum (17′) durch eine in seinem oberen Bereich angeordnete, Durchtrittsöffnungen (38) aufweisende Horizontalwand (34) unterteilt ist.