DE4219892A1

DE4219892A1 - Cooling system for IC engine - has second compensator reservoir with additional air volume, which is available when excess pressure exists in first reservoir

Info

Publication number: DE4219892A1
Application number: DE19924219892
Authority: DE
Inventors: Reinhard Maerker
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1993-12-23

Abstract

The system is for a fluid-cooled engine with heat exchanger, circulation pump, and a compensator reservoir. This is partially filled with a cooling fluid, and is connected to the cooling circuit. The reservoir has a filler socket, and an excess/under pressure valve, to connect atmosphere and air volume in the reservoir. A second compensator reservoir (5) contains an additional air volume and is connected to the air space of the first reservoir (1) via a line (6). The second reservoir is available, when an excess pressure in the first reservoir is exceeded, which is smaller than the opening value of the excess pressure valve. The line contains a pressure limitation valve (7). USE/ADVANTAGE - Pressure in cooling system for IC engine is regulated, so that sufficient cooling medium pressure is constantly available, and valve is not opened during normal operational conditions.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a cooling system according to the Preamble of the first claim.

Gattungsgemäße Kühlsysteme sind allgemein bekannt. Sie arbeiten mit einem sogenannten Druckausgleichsbehälter, da der Druck im Kühlsystem auch im Ausgleichsbehälter herrscht. Hierbei ist der Ausgleichsbehälter nicht voll ständig mit Kühlflüssigkeit gefüllt, sondern besitzt ein Luftvolumen definierter Größe, das die Weichheit des Kühlsystems mitbestimmt. Hierbei muß das Luftvolumen klein genug sein, um bei Teillast und niedriger Außentem peratur noch einen ausreichenden Druck an der Saugseite der Kühlmittelpumpe aufrechtzuerhalten, um Kavitation in der Pumpe zu vermeiden. Daneben muß das Luftvolumen groß genug sein, um bei hohen Kühlmitteltemperaturen den Druck im Kühlsystem niedrig genug zu halten aufgrund der be grenzten Bauteilfestigkeit der Kühler und der Schläuche.Generic cooling systems are generally known. they work with a so-called surge tank, because the pressure in the cooling system is also in the expansion tank prevails. The expansion tank is not full constantly filled with coolant, but has one Air volume of defined size, which the softness of the Co-determined cooling system. Here, the air volume be small enough to withstand partial loads and low outside temperatures sufficient pressure on the suction side the coolant pump to keep cavitation in to avoid the pump. In addition, the air volume must be large be enough to withstand pressure at high coolant temperatures in the cooling system to keep it low enough due to the be limited component strength of the cooler and the hoses.

Dieser Kompromiß in der Auslegung der Größe des Luft volumens (und damit der Weichheit des Kühlsystems) ist schon bei normalem Kühlmittelvolumen im Ausgleichsbe hälter nicht immer für alle Betriebszustände ausreichend; bei Fahrzeugen mit sehr großer Kühlmittelmenge infolge von großen Leitungslängen und Leitungsquerschnitten für das Kühlmittel - wie zum Beispiel bei Mittelmotor und vorne liegendem Kühler - führt ein übliches, bekanntes Kühlsystem zu Problemen. Das Ansprechen des Überdruck ventils des Kühlkreises sollte nämlich während normaler Betriebszustände nicht geschehen.This compromise in the interpretation of the size of the air volume (and thus the softness of the cooling system) even with normal coolant volume in the compensation area container not always sufficient for all operating conditions; in vehicles with a very large amount of coolant as a result of large cable lengths and cable cross sections for the coolant - as for example in the middle engine and front radiator - performs a common, well-known Cooling system to problems. The response of the overpressure valve of the cooling circuit should namely during normal Operating states did not happen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Druckver lauf in einem üblichen Kühlsystem ohne Erhöhung des Öff nungswertes des Überdruckventiles so zu steuern, daß einerseits während der gesamten Lastzyklen des Motors immer ein ausreichender Kühlmitteldruck zur Verfügung steht und anderseits ein Öffnen des Überdruckventils bei üblichen Betriebszuständen nicht erfolgt.The object of the present invention is the Druckver run in a conventional cooling system without increasing the opening Control value of the pressure relief valve so that on the one hand during the entire load cycles of the engine sufficient coolant pressure is always available stands and on the other hand an opening of the pressure relief valve normal operating conditions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich nenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Der Vorteil der Lösung besteht darin, daß ab der Zurverfügungstellung des Zusatzluftvolumens der Druckanstieg auf einer flache ren Kennlinie erfolgt, wobei beim Abkühlen zwar eine et was steilere Kennlinie gefahren wird, die jedoch wesent lich flacher verläuft als die ohne Zusatzvolumen. Dadurch ist auch bei niedrigeren Kühlmitteltemperaturen noch ein ausreichender Druck im Kühlsystem vorhanden, womit am Saugstutzen der Kühlmittelpumpe auch bei Teillast genü gend Druck vorhanden ist, ohne daß bei hohen Kühlmitteltemperaturen der Druck im Kühlsystem übermäßig hoch ist. Dabei kann der zweite Ausgleichsbehälter klein gehalten werden und an einer beliebigen Stelle im Motor raum angeordnet werden, da er nur ein Luftvolumen auf nimmt. Weiterhin zeichnet die Erfindung sich durch ge ringe Zusatz kosten aus und besitzt eine hohe Lebensdauer bei praktisch keinem Verschleiß. Zusätzlich wird auch die Lebensdauer der Kühlmittelpumpe verlängert und werden Schäden am Zylinderkopf infolge unzureichender Kühlung vermieden. This object is inventively characterized by nenden features of the first claim solved. The advantage The solution is that from the time it is made available the additional air volume the pressure increase on a flat Ren characteristic takes place, while an et what steeper characteristic curve is driven, but the essential course is flatter than that without additional volume. Thereby is still on even at low coolant temperatures sufficient pressure in the cooling system, which means that Intake of the coolant pump is sufficient even at partial load enough pressure is present without high Coolant temperatures the pressure in the cooling system excessive is high. The second expansion tank can be small be held and anywhere in the engine be arranged because it only has an air volume takes. Furthermore, the invention is characterized by ge rings out additional costs and has a long service life with practically no wear. In addition, the Life span of the coolant pump is extended and will be Damage to the cylinder head due to insufficient cooling avoided.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 hat den Vorteil, daß sicher vermieden wird, daß Kühlmittel in den zweiten Aus gleichsbehälter ausgeschoben wird.The development according to claim 2 has the advantage that It is surely avoided that coolant in the second off expansion tank is pushed out.

Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 bis 6 be schreibt bevorzugte Steuerungsmöglichkeiten des Zuschal tens des zweiten Ausgleichsbehälters. Hierbei werden ein fache, bewährte Teile verwendet.The development of the invention according to claim 3 to 6 be writes preferred control options of the audience least of the second expansion tank. Here, a fold, proven parts used.

Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 7 bis 10 beschrei ben Alternativen, die sich dadurch auszeichnen, daß auf die beiden Druckventile in der Leitungsverbindung zum zweiten Ausgleichsbehälter verzichtet werden kann, wenn dessen Zusatzvolumen veränderbar ist.The further developments according to claims 7 to 10 describe ben alternatives, which are characterized in that on the two pressure valves in the line connection to second expansion tank can be dispensed with if whose additional volume is changeable.

Aus der DE-A 30 45 357 ist es zwar bekannt, einen zweiten Ausgleichsbehälter über Druckventile an einem ersten Aus gleichsbehälter anzuschließen. Hierbei dient der zweite Ausgleichsbehälter jedoch zur Aufnahme von Kühlflüssig keit, und damit zum Verhindern eines Auswerfens der Kühl flüssigkeit bei einer großen Druckerhöhung. Im Unter schied zur vorliegenden Erfindung sind die zur Umgebung hin öffnenden bzw. von der Umgebung zum Kühlkreislauf hin öffnenden Ventile bei der DE-A 30 45 357 am zweiten Aus gleichsbehälter angeordnet.From DE-A 30 45 357 it is known a second Expansion tank via pressure valves at a first off connect equal tank. The second serves here Expansion tank, however, to hold coolant speed, and thus to prevent the cooling from being ejected liquid with a large pressure increase. In the sub different from the present invention are the environment opening or from the environment to the cooling circuit opening valves in DE-A 30 45 357 at the second off equal container arranged.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es stellen dar:In the following, the invention is based on a preferred Embodiment explained in more detail. They represent:

Fig. 1 einen konventionellen Ausgleichsbehälter eines Kühlkreises einer Brennkraftmaschine, erweitert um die erfindungsgemäße Anordnung; Fig. 1 shows a conventional expansion tank of a cooling circuit of an internal combustion engine, extended to the inventive arrangement;

Fig. 2a, b, c alternative Ausgestaltungen des zweiten Ausgleichsbehälters gemäß der Erfindung; FIG. 2a, b, c alternative embodiments of the second expansion tank according to the invention;

Fig. 3a, b Temperatur-Druck-Schaubilder mit Kennlinien eines konventionellen und des erfindungsgemäß ausgestal teten Kühlsystems. Fig. 3a, b temperature-pressure diagrams showing characteristics of a conventional and the inventive ausgestal ended cooling system.

In Fig. 1 ist ein üblicher Druckausgleichsbehälter eines Kühlsystems für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen dargestellt. Er besteht aus dem Behälter 1 mit Einfüll stutzen, der von einem Deckel 2 verschlossen wird. Mit 3 ist der Anschlußstutzen zum Anschluß an das nicht weiter dargestellte, übliche Kühlsystem bezeichnet, mit 4 der Anschlußstutzen für eine oder mehrere Entlüftungs leitungen.In Fig. 1, a conventional surge tank of a cooling system for liquid-cooled internal combustion engines is shown. It consists of the container 1 with filler neck, which is closed by a lid 2 . 3 with the connecting piece for connection to the not shown, conventional cooling system, with 4 of the connecting piece for one or more ventilation lines.

Der Ausgleichsbehälter 1 ist in an sich bekannter Weise teilweise mit Kühlflüssigkeit gefüllt und besitzt zum Füllen des gesamten Kühlsystems eine Deckel 2, in dem in an sich bekannter Weise - je ein Überdruckventil und ein Unterdruckventil eingebaut sind. Das Überdruckventil öff net in der Regel bei einem Überdruckwert von ca. 1,4 bar, während das Unterdruckventil verhindert, daß sich in der Abkühlphase ein Unterdruck im System aufbauen kann.The expansion tank 1 is partially filled with cooling liquid in a manner known per se and has a cover 2 for filling the entire cooling system, in which a pressure relief valve and a vacuum relief valve are installed in a manner known per se. The pressure relief valve usually opens at an overpressure value of approx. 1.4 bar, while the vacuum valve prevents a negative pressure from building up in the system during the cooling phase.

Gemäß der Erfindung ist an dem Ausgleichsbehälter 1 ein zweiter Ausgleichsbehälter 5 über eine Leitung 6 ange schlossen. In Fig. 1 ist in der Leitung 6 ein Druckbe grenzungsventil 7 und ein Differenzdruckventil 8 einge baut. Die beiden Ventile 7 und 8 sind wir zwei in entgegengesetzte Richtungen wirkende Rückschlagventile aufgebaut. Hierbei öffnet das Druckbegrenzungsventil 7 zum zweiten Ausgleichsbehälter 5 hin, während das Differenzdruckventil 8 zum ersten Ausgleichsbehälter 1 hin öffnet.According to the invention, a second expansion tank 5 is connected to the expansion tank 1 via a line 6 . In Fig. 1, a Druckbe limit valve 7 and a differential pressure valve 8 is built in line 6 . The two valves 7 and 8 are constructed as two check valves acting in opposite directions. Here, the pressure relief valve 7 opens to the second expansion tank 5 , while the differential pressure valve 8 opens to the first expansion tank 1 .

In den drei Beispielen in Fig. 2 sind Alternativen des zweiten Ausgleichsbehälters dargestellt, deren gemein sames Merkmal ein veränderbares Volumen mit einer im An fangs- und Endwert definierten Rückstellkraft ist.In the three examples in FIG. 2, alternatives of the second expansion tank are shown, the common feature of which is a variable volume with a restoring force defined in the initial and final value.

Im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 1 ist bei der Ausführung gemäß Fig. 2a in der Leitung 6 kein Ventil eingebaut. Der Ausgleichsbehälter 5 nach Fig. 2a ist als veränderlicher Druckraum 9 ausgebildet, indem er von einem elastischen Schlauch 10 gebildet wird. Der Schlauch 10 weist eine Rückstellkraft auf, die bewirkt, daß er bei abnehmendem Druck wieder sein Anfangsvolumen einnimmt. Über eine gelochte Blechhülle 11 wird die Ausdehnung des Schlauches 10 begrenzt. Der Druck, mit dem sich der Schlauch 10 zu dehnen beginnt, entspricht dem Öffnungs wert des Druckbegrenzungsventils 7 nach Fig. 1.In contrast to the embodiment according to FIG. 1, no valve is installed in line 6 in the embodiment according to FIG. 2a. The expansion tank 5 according to FIG. 2a is designed as a variable pressure chamber 9 in that it is formed by an elastic hose 10 . The hose 10 has a restoring force which causes it to return to its initial volume as the pressure decreases. The expansion of the hose 10 is limited by a perforated sheet metal sleeve 11 . The pressure at which the hose 10 begins to expand corresponds to the opening value of the pressure relief valve 7 according to FIG. 1.

In Fig. 2b wird der zweite Ausgleichsbehälter 5 von einem federbelasteten Kolben 12 gebildet, dessen Zylin derraum 13 mit dem Luftraum des Ausgleichsbehälters 1 über die Leitung 6 verbunden ist. Die Rückstellkraft der Feder 14 in die Ausgangslage entspricht hierbei der Kraft, die auf das Druckbegrenzungsventil 7 gemäß Fig. 1 im Sinne seiner Öffnung wirken muß.In Fig. 2b, the second expansion tank 5 is formed by a spring-loaded piston 12 , the Zylin derraum 13 is connected to the air space of the expansion tank 1 via the line 6 . The restoring force of the spring 14 in the starting position corresponds to the force which must act on the pressure relief valve 7 according to FIG. 1 in the sense of its opening.

In Fig. 2c wird der zweite Ausgleichsbehälter 5 von einer federbelasteten Membran 15 in einem Behälter 16 ge bildet, dessen Volumen (Druckraum 17) mit dem Luftraum des Ausgleichsbehälters 1 verbunden ist. Die Federkraft bzw. der Anfangswert und die Kennlinie ist für den ge wünschten Druckbereich abgestimmt. Anstelle der Metall feder ist natürlich auch ein Gaspolster als Feder denk bar.In Fig. 2c, the second expansion tank 5 is formed by a spring-loaded membrane 15 in a container 16 ge, the volume (pressure chamber 17 ) is connected to the air space of the expansion tank 1 . The spring force or the initial value and the characteristic curve is coordinated for the desired pressure range. Instead of the metal spring, a gas cushion as a spring is of course also conceivable.

Im folgenden wird unter Zuhilfenahme des Temperatur- Druckschaubildes nach Fig. 3 die Wirkung der Erfindung erläutert: The effect of the invention is explained below with the aid of the temperature-pressure diagram according to FIG. 3:

Die in strichlinierten Linien dargestellte Kennlinie in Fig. 3a entspricht einem konventionellen System mit größeren Kühlmittelmengen bei knapp bemessenem Luft volumen. Die Kennlinie besteht aus zwei ansteigenden Ästen a, b, einem waagrechten Ast c und zwei abfallenden Ästen d, e.The characteristic curve shown in dashed lines in Fig. 3a corresponds to a conventional system with larger amounts of coolant with a tight air volume. The characteristic curve consists of two rising branches a, b, a horizontal branch c and two falling branches d, e.

Nach einem Kaltstart wird mit zunehmender Erwärmung des Kühlmittels der Ast a durchlaufen, bis sich beim Öffnen des Thermostaten im Kühlkreislauf (Öffnungsbeginn bei ca. 85°C) die Steilheit der Kennlinie ändert (Ast b). Bei ca. 100°C stellt sich ein Überdruck von 1,4 bar ein. Hier öffnet das im Einfülldeckel 2 angeordnete Über druckventil und schiebt das Luftpolster aus dem Aus gleichsbehälter 1 aus. Der Druck verläuft dann auf dem Ast c, also nahezu auf einer Isobaren.After a cold start, as the coolant warms up, branch a is run through until the slope of the characteristic curve changes (branch b) when the thermostat in the cooling circuit opens (start of opening at approx. 85 ° C). At approx. 100 ° C there is an overpressure of 1.4 bar. Here the pressure valve arranged in the filler cap 2 opens and pushes the air cushion out of the expansion tank 1 . The pressure then runs on branch c, i.e. almost on an isobar.

Bei Abstellen der Brennkraftmaschine erfolgt dann die so genannte Nachheizphase, bei der eine starke Druckerhöhung im System auftritt. Diese wirkt sich aber nicht drucker höhend aus, da das Überdruckventil im Einfülldeckel 2 öffnet bzw. geöffnet bleibt. Der Druck im Kühlsystem sinkt dann anhand der Äste d und e der Kennlinie, bis er bei ca. 70° den 0 bar Überdruckwert erreicht.When the internal combustion engine is switched off, the so-called after-heating phase then takes place, during which a strong pressure increase occurs in the system. However, this does not have a printer-increasing effect, since the pressure relief valve in the filler cap 2 opens or remains open. The pressure in the cooling system then drops using the branches d and e of the characteristic curve until it reaches the 0 bar overpressure value at approx. 70 °.

Bei weiterem Abkühlen öffnet dann das im Einfülldeckel 2 angeordnete Unterdruckventil.When cooling further, the vacuum valve arranged in the filler cap 2 then opens.

Wird der erfindungsgemäß vorgesehene zweite Ausgleichsbe hälter nach Fig. 1 vorgesehen, so verändert sich die Druckkennlinie des Kühlsystems wie folgt Beginnend bei einem Kaltstart steigt der Druck in Abhän gigkeit der Temperatur auf den Ästen a, b solange an, bis der Öffnungswert des Druckbegrenzungsventils 7 erreicht wird. Ist dieser Öffnungswert beispielsweise auf 0,8 bar Überdruck eingestellt, so verläßt dann der Druckanstieg den Ast b und verläuft auf den Ästen f, g der neuen Kenn linie, die ab hier mit durchgezogenen Linien dargestellt ist. Die Äste f, g sind wesentlich flacher als der Ast b. Dadurch wird der höchstzulässige Druck im Kühlsystem erst bei einer wesentlich höheren Temperatur erreicht und es kommt in keinem Betriebspunkt zum Abblasen durch Öffnen des Überdruckventils im Deckel 2. Der Ast c der Kennlinie des konventionellen Kühlsystems wird also nicht durch laufen.If the inventively provided second Ausgleichsbe container as in Fig. Provided 1, so the pressure characteristics of the cooling system changes Starting as follows during a cold start, the pressure rises in depen dependence of the temperature on the branches a, b of long reach the opening value of the pressure control valve 7 becomes. If this opening value is set, for example, to 0.8 bar overpressure, the pressure rise then leaves branch b and runs on branches f, g of the new characteristic line, which is shown with solid lines from here on. The branches f, g are much flatter than the branch b. As a result, the maximum permissible pressure in the cooling system is only reached at a significantly higher temperature and there is no blow-off at any operating point by opening the pressure relief valve in cover 2 . The branch c of the characteristic curve of the conventional cooling system will not run through.

Beim Abkühlen des erfindungsgemäß aufgebauten Systems werden nun nicht die Äste d, e der Kennlinie durchlaufen, sondern die wesentlich flacher verlaufenden Äste h, i, i₁ und k. Dadurch wird erst bei einer Kühlmitteltemperatur, die nahezu dem Kaltstart entspricht, die 0 bar Überdruck linie erreicht.When the system constructed according to the invention cools, the branches d, e of the characteristic curve are not run through, but rather the branches h, i, i ₁ and k, which run substantially flat. As a result, the 0 bar overpressure line is only reached at a coolant temperature that almost corresponds to the cold start.

In Fig. 3b ist ein Temperatur-Druck-Schaubild für einen erfindungsgemäß aufgebauten Kühlkreis dargestellt, bei dem ein zweiter Ausgleichsbehälter 5 gemäß Fig. 2a-c zur Anwendung gelangt, also ein Ausgleichsbehälter mit varia blem Volumen.In Fig. 3b a temperature-pressure graph is shown for the present invention constituted cooling circuit, wherein a second surge tank 2a-c passes to the application 5 shown in FIG., That a surge tank with varia problem volume.

Im Unterschied zu der Kennlinie nach Fig. 3a schmiegt sich bei der Kennlinie nach Fig. 3b der Ast, der beim Abkühlen durchlaufen wird, näher an den Ast, der beim Er wärmen durchfahren wird. Somit wird die 0 bar Überdruck linie praktisch bei Kaltstarttemperatur erzielt, es exi stiert also nahezu keine Hysterese bei der Kennlinie.In contrast to the characteristic curve according to FIG. 3a, the branch which is passed through when cooling, nestles closer to the branch which is passed through when it heats up in the characteristic curve according to FIG. 3b. The 0 bar overpressure line is thus practically achieved at cold start temperature, so there is almost no hysteresis in the characteristic.

Claims

1.Cooling system for an internal combustion engine, consisting of a liquid-cooled internal combustion engine with a heat exchanger and a circulating pump and a first expansion tank, which is partially filled with coolant and is connected to the cooling circuit of the internal combustion engine via an inlet line, the first compensation tank having a filler neck is provided and includes a pressure and vacuum valve, the air volume in the expansion tank with the surrounding area or the environment with the air volume, characterized in that a second expansion tank ( 5 ) is provided, which contains a set air volume and with which Air space of the first surge tank ( 1 ) is connected via a line ( 6 ), the second surge tank ( 5 ) from exceeding an overpressure in the first surge tank ( 1 ), which is smaller than the opening value of the pressure relief valve on the surge tank ( 1 ) V is available.

2. Cooling system according to claim 1, characterized in that the beginning of the line ( 6 ) in the first expansion tank ( 1 ) is arranged at a location protected from coolant.

3. Cooling system according to claim 1 or 2, characterized in that in the line ( 6 ) to the second expansion tank ( 5 ) a pressure limiter valve ( 7 ) is installed.

4. Cooling system according to claim 3, characterized in that the opening value of the pressure relief valve ( 7 ) has around 0.8 bar and that the valve ( 7 ) to the second expansion tank ter ( 5 ) opens out.

5. Cooling system according to one of the preceding claims, characterized in that a differential pressure valve ( 8 ) is installed in the line ( 6 ) to the second expansion tank ( 5 ) as a further valve, which opens to the first expansion tank ( 1 ).

6. Cooling system according to claim 5, characterized in that the Differenzdruckven valve ( 8 ) opens at a differential pressure of around 0.01 bar.

7. Cooling system according to claim 1 or 2, characterized in that the second expansion tank ( 5 ) has a pressure chamber ( 9 , 13 , 17 ), the size of which is variable.

8. Cooling system according to claim 7, characterized in that the pressure chamber ( 9 ) is designed as an elastic hose ( 10 ).

9. Cooling system according to claim 7, characterized in that the pressure chamber ( 13 ) by a spring-loaded piston ( 12 ) is limited.

10. Cooling system according to claim 7, characterized in that the pressure chamber ( 17 ) is limited by a spring-loaded membrane ( 15 ).