DE4233038C1 - Überdrucksicherung für einen Kühlmittelkreislauf - Google Patents

Überdrucksicherung für einen Kühlmittelkreislauf

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DE4233038C1 DE19924233038 DE4233038A DE4233038C1 DE 4233038 C1 DE4233038 C1 DE 4233038C1 DE 19924233038 DE19924233038 DE 19924233038 DE 4233038 A DE4233038 A DE 4233038A DE 4233038 C1 DE4233038 C1 DE 4233038C1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sicherung eines Kühlmittelkreislaufs einer Brennkraftmaschine gegen Überdruck gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der EP 0 177 860 A2 ist eine solche Vorrichtung bekannt, bei der ein Kühlmittelbehälter mittels einer zweistufigen in einen Einfüllstutzen eingesetzten Ven­ tilanordnung gegen Überdruck gesichert ist. Vor dem ersten Ventil ist ein Schwimmer angeordnet, der bei einem übermäßigen Anstieg des Kühlwassers das erste Ventil außer Funktion setzt. Ein Druckausgleich kann somit nur noch über das zweite Ventil, das einen höheren Öffnungsdruck als das erste Ventil aufweist, stattfinden. Zusätzlich wird vorgeschlagen, zwischen der höch­ sten Stelle im Kühlflüssigkeitsbehälter und dem Bereich vor dem ersten Ventil eine Drosselöffnung zum Entlüften des im Kühl­ mittelbehälter eingeschlossenen Gasvolumens vorzusehen.

Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß beim Nachfüllen von Kühlflüssigkeit kein sicherer Schutz gegen Überfüllung ge­ geben ist. Zwar wird ab einem bestimmten Füllstand durch Anhe­ ben des Schwimmers der Zuströmquerschnitt verringert; gegen ein weiteres langsames Befüllen ist die Vorrichtung aber nicht ge­ sichert. Außerdem kann die im Kühlflüssigkeitsbehälter enthal­ tene Luft über die Drosselöffnung entweichen, so daß sich ein Luftpolster, das als Sicherung gegen ein weiteres Befüllen dienen könnte, auch nicht ausbilden kann.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 42 20 631.6-13 ist ebenfalls eine zweistufige Ventilanordnung, die mit einem Verschluß eines Kühlmittelbehälters verbunden ist, bekannt. Wird eine solche Ventilanordnung in einen bekannten Einfüllstutzen eingesetzt, so kann damit zwar eine ausreichende Füllstandssicherung erreicht werden. Übersteigt allerdings im Betrieb der Brennkraftmaschine der Kühlflüssigkeitsspiegel im Kühlflüssigkeitsbehälter die Einfüllmarke, so ist eine Entlüf­ tung des im oberen Bereich des Kühlflüssigkeitsbehälters ein­ geschlossenen Gasvolumen nicht mehr möglich.

Aus der DE-PS 41 07 183 ist schließlich ein Kühlwasserausgleichs­ behälter mit einer einfachen Vorrichtung zur Füllstandssicherung bekannt, bei der ein Überdruckventil, welches beim Befüllen geschlossen ist, in einer Entlüftungsleitung angeordnet ist.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Sicherung eines Kühlmittelkreislaufs einer Brennkraftmaschine gegen Überdruck auf einfache Art und Weise so weiterzubilden, daß einerseits für das gesamte im Kühlflüssigkeitsbehälter eingeschlossene Gas- und Flüssigkeitsvolumen in allen Be­ triebsbereichen eine Überdrucksicherung und andererseits für den Kühlflüssigkeitsbehälter eine Füllstandssicherung gewähr­ leistet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Durch die Anordnung eines Schaltelements im Entlüftungskanal ist es möglich, beide Funktionen, also eine Füllstandssicherung und eine Überdrucksicherung zu realisieren. Zum Befüllen des Kühlflüssigkeitsbehälters wird das Schaltelement geschlossen, so daß sich im oberen Bereich des Kühlflüssigkeitsbehälters ein Gaspolster ausbilden kann. Dadurch wird gewährleistet, daß der Kühlflüssigkeitsbehälter nur bis zum unteren Rand des Einfüll­ stutzens befüllt werden kann. Bei einer weiteren Zuführung von Kühlflüssigkeit steigt dann nur noch der Flüssigkeitsspiegel im Einfüllstutzen an. Nach dem Verschließen des Kühlflüssigkeits­ behälters wird das Schaltelement geöffnet, so daß in allen anderen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ein Druckaus­ gleich zwischen dem Gasvolumen und dem Einfüllstutzen möglich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen und der Beschreibung hervor. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher be­ schrieben, wobei

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlers einer Brennkraftmaschine mit Ausgleichsbehälter,

Fig. 2 einen Teil des Ausgleichsbehälters aus Fig. 1 mit in den Einfüllstutzen eingesetzter Ventilanordnung im Schnitt,

Fig. 3 den Ausgleichsbehälter aus Fig. 2 im Schnitt mit er­ höhtem Kühlflüssigkeitsstand,

Fig. 4 den Ausgleichsbehälters aus Fig. 2 im Schnitt, wobei der Einfüllstutzen geöffnet ist und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Kühler 1 eines nicht weiter dargestellten Kühlkreislaufs einer Brennkraftmaschine. Der Kühler 1 ist über einen Füllschlauch 2 mit einem an der höchsten Stelle des Kühlsystems und als Ausgleichsbehälter 3 ausgeführten Kühl­ flüssigkeitsbehälter verbunden. Zum Nachfüllen von Kühlflüs­ sigkeit ist der Ausgleichsbehälter 3 im oberen Bereich mit ei­ nem Einfüllstutzen 4 versehen, der mittels eines Verschlußdec­ kels 5 verschlossen werden kann. Im oberen Bereich des Ein­ füllstutzens 4 ist eine zweistufige Ventilanordnung 6, die über einen Überlauf 7 mit der Atmosphäre verbunden ist, zur Sicherung des Kühlsystems gegen Überdruck angeordnet. Außerdem ist im Einfüllstutzen 4 eine Entlüftungsöffnung 8, die mittels eines Schaltelementes 9 verschlossen oder geöffnet werden kann, vorgesehen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Ausgleichsbehälter 3 teilweise im Schnitt, wobei der Einfüllstutzen 4 mittels des Verschlußdec­ kels 5, der mit Hilfe eines Gewindes 10 auf den Einfüllstutzen 4 aufgeschraubt werden kann, verschlossen ist. Mit dem Ver­ schlußdeckel 5 ist ein zylindrischer Einsatz 11 verbunden, der an die Form des Einfüllstutzens 4 angepaßt ist, wobei jedoch zwischen Einsatz 11 und Einfüllstutzen 4 ein Spalt 12 ver­ bleibt, der durch im Umfang des Einsatzes 11 angeordnete Dichtringe 13 unterbrochen ist. In den oberen Teil des Ein­ satzes 11 ist die zweistufige Ventilanordnung 6, die aus einer Ventilfeder 14, einem ersten und einem zweiten Ventilteller 15, 16 und einer u-förmigen, den Rand des zweiten Ventiltellers 16 umschließenden Dichtlippe 17 besteht, integriert. In die Ven­ tilfeder 14, die am Verschlußdeckel 5 abgestützt ist, sind die beiden Ventilteller 15, 16 derart eingesetzt, daß beide Ven­ tilteller 15, 16 durch die Kraft der Ventilfeder 14 gegen ei­ nen, einen Ventilsitz bildenden Vorsprung 18 gedrückt werden, wobei die beiden Schenkel der u-förmigen Dichtlippe 17 den un­ teren Bereich des Einfüllstutzens 4 von einer Ringkammer 19 gasdicht abtrennen. Die Ringkammer 19 ist wiederum über Boh­ rungen 20 und eine erste Kammer 21 mit dem Überlauf 7 ver­ bunden.

Beide Ventilteller 15, 16 weisen einen durchbrochenen Boden auf, wobei zwischen den beiden Ventiltellern 15, 16 ein Unter­ druckventil 22 vorgesehen ist. Das Unterdruckventil 22 besteht aus einem weiteren Ventilteller 23, der mittels einer Ventil­ feder 24, die sich am zweiten Ventilteller 16 abstützt, auf den einen Ventilsitz ausbildenden ersten Ventilteller 15 gedrückt wird.

Im unteren Bereich des Einsatzes 11 ist auf der Innenseite ein Ringbund 25 angeordnet. Dieser Ringbund 25 begrenzt gemeinsam mit der Ventilanordnung 6 eine Schwimmerkammer 26, in der ein mit einer weiteren Dichtlippe 27 versehener Schwimmer 28 ange­ ordnet ist, wobei der Schwimmer 28 derart ausgebildet ist, daß sich zwischen dem Schwimmer 28 und dem Einsatz 11 ebenfalls ein Spalt 29 ausbildet. Außerdem ist im Einsatz 11 im Bereich der Schwimmerkammer 26 eine Bohrung 30 angeordnet, die den Spalt 29 mit dem Spalt 12 verbindet. Schließlich ist im Einsatz 11 noch eine weitere Bohrung 31 eingebracht, die den Einfüllstutzen 4 mit einem ersten Zweig 32 des Füllschlauchs 2 verbindet. Der zweite Zweig 33 des Füllschlauches 2 erstreckt sich bis in den unteren Bereich des Ausgleichbehälters 3. Die Dichtringe 13 sind dabei so am Umfang des Einsatzes 11 angeordnet, daß die Bohrungen 20, 30, 31 bei eingesetztem Einsatz 11 nicht über den Spalt 12 in Strömungsverbindung stehen, sondern gasdicht von­ einander getrennt sind.

Die im oberen Bereich des Ausgleichbehälters 3 angeordnete Entlüftungsöffnung 8 kann mit Hilfe des Schaltelementes 9 ge­ öffnet oder verschlossen werden. Das Schaltelement 9 besteht aus einem pfeilförmigen Ventilkörper 34, dessen Spitze mittels einer Feder 35, die sich an einer am Einfüllstutzen 4 befe­ stigten Halteklammer 36 abstützt, in die trichterförmige Ent­ lüftungsöffnung 8 gedrückt wird. Außerdem ist oberhalb der Entlüftungsöffnung 8 eine zweite Kammer 37, die mit der ersten Kammer 21 nicht verbunden ist, vorgesehen.

Anhand der Fig. 1 bis 4, wobei Fig. 4 den Ausgleichsbehälter 3 aus Fig. 2 mit aus dem Einfüllstutzen 4 herausgenommenem Ein­ satz 11 zeigt, wird im folgenden die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erklärt. Im Betrieb der Brenn­ kraftmaschine kann die Kühlflüssigkeit infolge einer Erwärmung sich soweit ausdehnen, daß der Kühlmittelstand den in Fig. 2 eingezeichneten Stand erreicht. Da in diesem Zustand der Ein­ füllstutzen 4 in die Kühlflüssigkeit eintaucht ist das im obe­ ren Bereich des Ausgleichbehälters 3 sich befindende Gasvolumen vom Gasvolumen im Einfüllstutzen 4 getrennt. Da bei einge­ setztem Einsatz 11 das Schaltelement 9 geöffnet ist, kann ein Druckausgleich zwischen den beiden Gasvolumen stattfinden, wo­ bei die Luft aus dem Ausgleichsbehälter 3 über die Entlüf­ tungsöffnung 8, den Spalt 12 und die Bohrung 30 in die Schwim­ merkammer 26 und von da aus in den gesamten Einfüllstutzen 4 gelangen kann. Somit herrscht auch bei steigendem Kühlflüssig­ keitsstand im gesamten Gasvolumen immer derselbe Druck. Der Austausch von Kühlflüssigkeit zwischen dem Kühler 1 und dem Ausgleichsbehälter 3 erfolgt dabei über den zweiten Zweig 33 des Füllschlauches 2, da der erste Zweig 32 durch den einge­ setzten Einsatz 11 verschlossen ist.

Übersteigt der Druck im Gasvolumen einen durch die Ventilfeder 14 vorgegebenen ersten Öffnungsdruck p1, so hebt der erste Ventilteller 15 aufgrund der größeren Wirkfläche vom zweiten Ventilteller 16 ab und der Druck im Gasvolumen kann über die Ringkammer 19, die Bohrungen 20, die erste Kammer 21 und den Überlauf 7 entweichen, bis der Öffnungsdruck p1 wieder unter­ schritten wird. Der Durchbruch im Boden des ersten Ventiltel­ lers 15 wird dabei vom Ventilteller 23 des Unterdruckventils 22 verschlossen. Kühlt die Kühlflüssigkeit ab und verringert dabei sein Volumen, so kann im Ausgleichsbehälter 3 ein Unterdruck entstehen. Unterschreitet der Druck einen durch die Ventilfeder 24 vorgegebenen Grenzdruck pu, so hebt der Ventilteller 23 ge­ gen die Kraft der Ventilfeder 24 vom Ventilteller 15 ab und gibt somit eine Verbindung zwischen dem eingeschlossenen Gas­ volumen und der Atmosphäre frei.

Bei weiter ansteigendem Kühlflüssigkeitsstand dringt zunehmend Kühlflüssigkeit über den Einfüllstutzen 4 und die Entlüftungs­ öffnung 8 in die Schwimmerkammer 26. Dadurch hebt der Schwimmer 28 vom Ringbund 25 ab und steigt mit dem Kühlflüssigkeitstand solange hoch, bis er an dem zweiten Ventilteller 16 anliegt und mittels der Dichtlippe 27 den Durchbruch verschließt und somit ein Gasvolumen bei Öffnungsdruck p1 einschließt. Dadurch liegt der Öffnungsdruck p2 des zweiten Überdruckventils 16 höher als der erste Öffnungsdruck p1. Dies bedeutet, daß bei einem hohen Kühlflüssigkeitsstand, wo die Gefahr besteht, daß Kühlflüssig­ keit aus dem Ausgleichsbehälter 3 austritt, die Ventilanordnung 6 erst bei einem höheren Öffnungsdruck p2 öffnet.

Beim Öffnen des Verschlußdeckels 5 sollte gewährleistet sein, daß der Ausgleichsbehälter 3 zuerst über den Überlauf 7 belüftet und erst dann, wenn der Überdruck abgebaut ist und keine Gefahr mehr besteht, daß heißer Dampf oder heißes Kühlwasser aus dem Einfüllstutzen 4 austritt, vollständig geöffnet und abgenommen werden kann. Hierzu weist der Einfüllstutzen 4 am oberen Rand eine nach oben konisch zunehmende Querschnittsfläche 38 auf, wobei der oberste Dichtring 13 bei geschlossenem Verschlußdeckel 5 gerade am Ansatz der konisch zunehmenden Fläche 38 zur Anlage kommt. Dadurch wird bei geschlossenem Verschlußdeckel 5 der Spalt 12 gasdicht vom Überlauf abgetrennt, so daß eine Entlüftung nur über die Ventilanordnung 6 erfolgen kann. Beim Öffnen des Verschlußdeckels 5 wird der Einsatz 11 angehoben, so daß der oberste Dichtring 13 in den Bereich der konisch zunehmenden Querschnittsfläche 38 gerät und somit einen Durchgang vom Spalt 12 zum Überlauf 7 freigibt. Dadurch kann der Überdruck über die Bohrung 30 aus dem Einfüllstutzen 4 und über die Entlüftungsöffnung 8 aus dem Gasvolumen austreten. Das Gewinde 10 ist dabei so ausgebildet, daß ein vollständiges Öffnen des Verschlußdeckels 5 nicht ohne ein Nachfassen erfolgen kann. Diese Zeit reicht aus, um den Aus­ gleichsbehälter 3 zu belüften.

Beim Abnehmen des Verschlußdeckels 5 wird gleichzeitig der Einsatz 11 mit der Ventilanordnung 6 aus dem Einfüllstutzen 4 herausgezogen. Dadurch wird zuerst die Bohrung 31 freigegeben, so daß der Füllschlauch 2 mit dem Einfüllstutzen 4 verbunden wird. Beim weiteren Herausziehen wird auch die Entlüftungsöff­ nung 8 freigegeben, so daß der Ventilkörper 34 durch die Kraft der Feder 35 in die Entlüftungsöffnung 8 gedrückt und somit verschlossen wird.

Beim Nachfüllen von Kühlflüssigkeit kann die im Ausgleichsbe­ hälter 3 eingeschlossene Luft nur solange über den Einfüllstutzen 4 entweichen, bis der Kühlflüssigkeitsstand den unteren Rand des Einfüllstutzens 4 erreicht. Da die Entlüftungsöffnung 8 durch das Schaltelement 9 bei herausgezogener Ventilanordnung 6 ebenfalls geschlossen ist, ist somit das eingeschlossene Gas­ volumen vollständig gasdicht abgeschlossen. Dadurch kann bei einem weiteren Befüllen die Luft nicht mehr entweichen, so daß der Kühlflüssigkeitsstand nur noch im Einfüllstutzen 4 an­ steigt, bis er die Bohrung 31 erreicht. Durch diese Bohrung 31 kann die Kühlflüssigkeit nun auch in den Füllschlauch 2 und damit in den gesamten Kühlkreislauf strömen. Ist dieser eben­ falls gefüllt, so steigt der Kühlflüssigkeitsstand im Einsatz noch weiter an, so daß der Benutzer erkennen kann, daß der ma­ ximale Kühlflüssigkeitsstand erreicht ist.

Beim Verschließen des Einfüllstutzens 4 wird dann durch das Einbringen des Einsatzes 11 der Ventilkörper 34, dessen Spitze in das Innere des Einfüllstutzens 4 hineinragt, gegen die Kraft der Feder 34 aus der Entlüftungsöffnung 8 herausgedrückt und somit die Entlüftungsöffnung 8 freigegeben. Dies bedeutet, daß beim Einführen des Einsatzes 11 in den Einfüllstutzen 8 das Schaltelement 9 automatisch geöffnet und somit ein Druckaus­ gleich zwischen dem Gasvolumen und dem Einfüllstutzen 4 über die Entlüftungsöffnung 8 jederzeit ermöglicht wird. Außerdem wird beim Öffnen des Verschlußdeckels 5 zuerst eine Druckent­ lastung zur Sicherung des Benutzers gegen austretende heiße Kühlflüssigkeit erreicht und erst dann das Schaltelement 9 ge­ schlossen, wodurch beim Nachfüllen von Kühlflüssigkeit eine Füllstandssicherung gewährleistet ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Fig. 5. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier der Ausgleichsbehälter 3 derart angeordnet, daß die Oberkante des Ausgleichsbehälters 3 auf gleicher Höhe wie die Oberkante des Kühlers 1 angeordnet ist, so daß die Unterkante des Einfüllstutzens 4 unterhalb der Kühleroberkante liegt. Zusätzlich ist bei dieser Anordnung eine Leitung 39 vorgesehen, die den unteren Bereich des Ausgleichs­ behälters 3 mit einem der Saugseite des Kühlkreislaufes zuge­ ordneten Wasserkasten 40 des Kühlers 1 direkt verbindet. Durch den im Wasserkasten 40 herrschenden Saugunterdruck wird bei geöffnetem Verschlußdeckel 5 ein Teil der Kühlflüssigkeit aus dem Ausgleichsbehälter 3 herausgezogen. Somit ergeben sich auch beim Befüllen, das bei laufendem Motor vorgenommen werden muß, unterschiedliche Füllstände im Ausgleichsbehälter 3 und im Kühler 1. Wählt man nun die Länge des Einfüllstutzens 4 gerade so, daß der Höhenunterschied zwischen der Unterkante des Ein­ füllstutzens 4 und der Kühleroberkante dem im Wasserkasten 40 herrschenden Saugunterdruck im Motorleerlauf entspricht, so wird auch bei dieser Anordnung ein Überfüllen des Kühlkreis­ laufs verhindert. Bei verschlossenem Einfüllstutzen 4 ist das Schaltelement 9 geschlossen, so daß das Gasvolumen im Aus­ gleichsbehälter 3 vollständig eingeschlossen ist. Dadurch wird bei abgeschaltetem Motor ein Niveauausgleich zwischen dem Ausgleichsbehälter 3 und dem Kühler und somit ein Eindringen von Luft in den Kühlflüssigkeitskreislauf verhindert.

Unabhängig von dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem ein separater Ausgleichsbehälter 3 vorgesehen ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung selbstverständlich auch für einen an den Kühler adaptierten Ausgleichsbehälter verwendet werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Sicherung eines Kühlmittelkreislaufs einer Brennkraftmaschine gegen Überdruck, mit einem im oberen Bereich eines in den Kühlkreislauf integrierten Kühlmittelbehälters zur Füllstandssicherung angeordneten Einfüllstutzen, mit mindestens einem den Einfüllstutzen abdichtenden Ventil und mit einer das Gasvolumen im Kühlmittelbehälter mit dem Einfüllstutzen verbin­ denden Entlüftungsöffnung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entlüftungsöffnung (8) ein Schaltelement (9) derart angeordnet ist, daß die Verbindung zwischen dem Gasvolumen und dem Einfüllstutzen (4) beim Befüllen des Kühlmittelbehälters (3) geschlossen und ansonsten geöffnet ist, wobei das Schaltelement (9) aus einem pfeilförmigen Ventilkörper (34) besteht, der im Gasvolumen angeordnet ist und mittels einer Feder (35) mit der Spitze derart in die Entlüftungsöffnung (8) gedrückt wird, wobei bei herausgenommener Ventilanordnung (6) der Ventilkörper (34) die Entlüftungsöffnung (8) verschließt und mit seiner Spitze in den Einfüllstutzen (4) hineinragt, und wobei die Ventilanordnung (6) beim Einsetzen in den Einfüllstutzen (4) die Spitze des Ventilkörpers (34) aus dem Einfüllstutzen (4) herausdrückt und dadurch die Entlüftungsöffnung (8) freigibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsöffnung (8) unterhalb eines zweiten Über­ druckventils (16) in den Einfüllstutzen (4) mündet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsöffnung (8) im oberen Bereich des Kühl­ flüssigkeitsbehälters (3) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung (6) mit einem den Einfüllstutzen (4) abdeckenden Verschlußdeckel (5) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Öffnen des Verschlußdeckels (5) zuerst das Gasvolumen über die Entlüftungsöffnung (8) belüftet wird und daß die Ven­ tilanordnung (6) erst dann, wenn das Gasvolumen belüftet ist, aus dem Einfüllstutzen (4) gezogen werden kann.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitsbehälter (3) derart angeordnet ist, daß der durch die Unterkante des Einfüllstutzens (4) vorgegebene maximale Füllstand unterhalb der Kühleroberkante liegt, wobei der Kühlflüssigkeitsbehälter (3) über eine zusätzliche, im unteren Bereich des Kühlflüssigkeitsbehälters (3) angeordnete Leitung (39) mit dem der Saugseite des Kühlkreislaufs zugeord­ neten Wasserkasten (40) des Kühlers (1) in Strömungsverbindung steht.
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