DE4428208A1 - Vorrichtung zum Erkennen von Flüssigkeitsmangel - Google Patents
Vorrichtung zum Erkennen von FlüssigkeitsmangelInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im
Oberbegriff des 1. Anspruchs angegebenen Art.
Gerade bei Verdampfungskühlsystemen für Brennkraft
maschinen, die im kalten Zustand nur zum Teil mit Kühl
flüssigkeit gefüllt sind - die übrigen Räume sind mit
Luft gefüllt -, ist es schwierig, ein kundentaugliches
Befüllsystem zu entwickeln. Eine besondere Schwierigkeit
besteht darin, daß sich im Kühlkreislauf immer eine be
triebspunktabhängige Menge Luft und eventuell Dampf be
findet. Daneben enthält der Kreislauf noch eine unmittel
bar nach der Befüllung definierte Menge Kühlmittel, die
durch Verlust nach außen mit der Zeit abnimmt und eine
ebenfalls betriebspunktabhängige Menge Dampf. Die Summe
aus Luft- und Dampfvolumen ist im wesentlichen als kon
stant anzusehen.
Entscheidend für die Entwicklung eines geeigneten Befüll
systems ist deshalb, dieses für die betriebspunkt
abhängige unterschiedliche Aufteilung von Flüssigkeit und
Dampf auf den Kühlkreislauf auszulegen. Dabei sind auch
Beschleunigungen durch Kurvenfahrt und Bremsvorgänge
insofern wichtig, als dann bei einer unmittelbaren Kon
trolle nach einem derartigen Vorgang nicht alles flüssige
Kühlmittel im Vorratsbehälter vorhanden sein muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine
Vorrichtung zum sicheren Erkennen von Flüssigkeitsmängeln
bei einem teilweise gefüllten Verdampfungskühlsystem vor
zuschlagen, mit dem unter allen Betriebszuständen jeweils
das minimal mögliche und damit optimale Kühlmittelvolumen
im Kühlkreislauf sicher erfaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich
nenden Merkmale des 1. Anspruchs gelöst. Durch die Anord
nung eines Vorratsbehälters mit Zulaufleitung auf der
Pumpendruckseite und Rücklaufleitung auf der Pumpensaug
seite wird erreicht, daß dann immer genügend Kühlflüssig
keit im Vorratsbehälter vorhanden ist, solange die Pumpe
ausreichend Flüssigkeit ansaugen kann. Kurzzeitige Minde
rung der Förderleistung durch geringe Luft- oder Dampf
mengen an der Pumpe bedeuten zwar ein kurzzeitiges Aus
setzen der Förderleistung für einige Sekunden. Diese kön
nen jedoch gerade auch bei Phasenwechselkühlsystemen für
Brennkraftmaschinen toleriert werden, insbesondere, da
dieser Betriebszustand nur bei niedriger Motordrehzahl
auftritt. Auf jeden Fall wird mit diesem System sicher
erzielt, daß langfristige Flüssigkeitsmängel zuverlässig
erkannt werden. Wird ein längerfristiges Fehlen von
Flüssigkeit über entsprechende Sensoren erfaßt und an
entsprechender Stelle angezeigt, so ist auch sicher
gestellt, daß der Kunde dann auf ein tatsächliches Fehlen
hingewiesen wird.
Die Unteransprüche 2 bis 13 beschreiben vorteilhafte Aus
gestaltungen der Erfindung, wobei darauf Wert gelegt
wurde, möglichst bewegte Teile zu vermeiden und mit wenig
Baueleinenten auszukommen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Aus
führungsbeispiele näher beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Vereinfachung der Anordnung nach Fig. 1;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er
findung;
Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 6 eine Einzelheit des Anschlusses der Zulauf
leitung.
Allen Ausführungsbeispielen zugrunde liegt ein Ver
dampfungskühlsystem für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Ein derartiges Verdampfungskühlsystem ist beispielsweise
aus der DE-A 42 22 913 vom Prinzip her bekannt.
Es besteht aus der Brennkraftmaschine 1 mit entsprechend
angeordneten Kühlräumen sowie einer von der höchsten
Stelle der Kühlräume abzweigenden Vorlaufleitung 2. Diese
Vorlaufleitung 2 mündet in einem Dampfabscheider 3. Des
sen Dampfauslaß 4 ist mit einem Kondensator 5 verbunden.
Zur Erhöhung der Kühlwirkung ist ein Lüfter 6 vorgesehen.
An dem Flüssigkeitskasten des Kondensators 5 ist ein
Überströmbehälter 7 angeordnet, der über ein steuerbares
Absperrventil 8 und eine semipermeable Membran 9 mit der
Umgebung in Verbindung steht.
Eine Rücklaufleitung 10 verbindet die tiefste Stelle
(Auslauf) des Kondensators 5 auf der Flüssigkeitsseite
mit dem kühlmittelseitigen Einlaß in die Brennkraft
maschine 1.
In diese Rücklaufleitung 10 mündet auch der Flüssigkeits
auslaß aus dem Dampfabscheider 3.
Zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitskreislaufes bzw.
zum Nachliefern in der Brennkraftmaschine 1 verdampfter
Flüssigkeit dient die elektrisch ansteuerbare Kühlmittel
pumpe 11.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß auf der Druck
seite der Kühlmittelpumpe 11 eine Zulaufleitung 12 ab
zweigt, die in den Boden eines Vorratsbehälters 13 mün
det. Dieser Vorratsbehälter besitzt eine das Nennfüll
niveau bestimmende Überlaufleitung 14, die auf der Saug
seite der Kühlmittelpumpe 11 in die Rücklaufleitung 10
mündet. Weiterhin mündet auf der Saugseite der Kühl
mittelpumpe 11 eine Rücklaufleitung 15, die vom Boden des
Vorratsbehälters 13 abzweigt.
Der Vorratsbehälter 13 kann aus durchsichtigem Material
ausgeführt werden. In diesem Fall weist er eine Minimal-
und Maximal-Marke auf. Er kann jedoch auch aus undurch
sichtigem Material ausgebildet sein. In diesem Fall weist
er ein Fenster 16 zur Kontrolle des Flüssigkeitsstandes
auf. Der Vorratsbehälter 13 ist luftdicht ausgebildet und
weist nur die vorher beschriebenen Anschlüsse auf.
Daneben mündet auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe eine
Befüll-Leitung 17, die von einem Verschlußdeckel 18
gegenüber der Umgebung verschlossen wird.
Bei dem vorher beschriebenen System handelt es sich um
ein teilgeflutetes Phasenwechselkühlsystem, d. h. im
Stillstand der Kühlmittelpumpe 11 und bei kalter Brenn
kraftmaschine 1 befindet sich in der Vorlaufleitung 2, im
wesentlichen im Dampfabscheider 3 und im Kondensator 5
sowie im Überströmbehälter 9 Luft. Die übrigen Leitungen
sowie die Kühlräume der Brennkraftmaschine 1 sind bis
Höhe des Beginns der Vorlaufleitung 2 mit flüssigem Kühl
mittel gefüllt.
Im Betrieb des Motors verdampft in seinen Kühlräumen das
Kühlmittel. Das Dampf-Kühlmittelgemisch strömt durch den
Dampfabscheider 3, wo flüssiges Kühlmittel getrennt wird
und auf die Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 zurückgelei
tet wird. Der Dampf strömt zum Kondensator 5, wo er sich
niederschlägt und als flüssiges Kühlmittel ebenfalls im
Kreislauf auf die Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 ge
langt.
Die Kühlmittelpumpe 11 wird so gesteuert, daß die Kühl
räume der Brennkraftmaschine 1 nicht trockenfallen, d. h.
daß immer genügend flüssiges Kühlmittel nachgefördert
wird, damit an allen heißen Stellen sich Dampf bilden
kann.
Bei laufender Kühlmittelpumpe 11 wird das Kühlmittel
nicht nur in die Kühlräume der Brennkraftmaschine geför
dert, sondern auch über die Leitung 12 in den Vorrats
behälter 13. Die darin befindliche Luft wird über die
Überlaufleitung 14 verdrängt und kann aus dem Kühlkreis
über den Überströmbehälter 7 und das geöffnete Absperr
ventil abströmen. Das Absperrventil 8 wird entsprechend
den gewünschten Druckverhältnissen im Kühlkreislauf ge
öffnet bzw. geschlossen.
Daneben hat der Überströmbehälter 7 noch eine andere Auf
gabe. Abhängig von der Motorlast befindet sich eine
variable Menge des im Kühlkreislaufes enthaltenen Kühl
mittels in den Kühlräumen der Brennkraftmaschine. Bei
hoher Last wird im Motor ein großer Wärmestrom an das
Kühlmittel abgeführt. Daher ist sein Dampfvolumen hier
ebenfalls groß. Dadurch ist bei hoher Motorbelastung der
Kühlmittelanteil im Motor am geringsten. Dieses Kühl
mittel muß - um den Kondensationsprozeß nicht zu behin
dern - aus dem Kondensator entfernt werden. Dazu dient
der Überströmbehälter 7. Bei geöffnetem Absperrventil 8
kann das flüssige Kühlmittel in diesen Überströmbehälter
strömen und dort zwischengelagert werden. Über das geöff
nete Absperrventil 8 und die semipermeable Wand 7 können
nicht nur die im Kühlsystem auftretenden Gase entweichen,
sondern auch bei Lastwechsel ein Gasaustausch statt
finden. Damit wird Unterdruck im System vermieden.
Bei Motorbetrieb mit niedriger Last wird dementsprechend
ein großes Kühlflüssigkeitsvolumen im Kühlkreis auf
treten. Herrscht hier ein Mangel an Kühlflüssigkeit vor,
so wird sich zuerst der Überströmbehälter 9 vollständig
entleeren. Anschließend bei einem weiteren Mangel an
Kühlflüssigkeit werden Luftblasen von der Kühlmittelpumpe
angesaugt. Die Luft führt dazu, daß für einige Sekunden
die Förderleistung teilweise oder ganz zusammenbricht.
Das Kühlsystem wird wie folgt nach einem vollständigen
Entleeren oder bei einer Erstbefüllung befüllt. Über die
Befüllöffnung 18 wird bei laufender Kühlmittelpumpe 11
und stehender Brennkraftmaschine 1 Kühlflüssigkeit einge
füllt. Die Flüssigkeit wird von der Kühlmittelpumpe 11
angesaugt und von dieser in die Kühlräume der Brenn
kraftmaschine gefördert. Bei weiterem Auffüllen und wei
terlaufender Kühlmittelpumpe füllen sich die Kühlmittel
räume der Brennkraftmaschine 1 solange, bis flüssiges
Kühlmittel über die Vorlaufleitung 2 und über den
Dampfabscheider 3 auf die Saugseite der Kühlmittelpumpe
11 in die Rücklaufleitung 10 gelangt.
Gleichzeitig wird Kühlflüssigkeit über die Zulaufleitung
12 in den Vorratsbehälter 13 gefüllt und zwar solange,
bis sein Nenn-Niveau erreicht wird, d. h. die Kühlflüssig
keit über die Überlaufleitung 14 zurückströmt. Ein direk
tes Zurückströmen über die Rücklaufleitung 15 findet bei
laufender Kühlmittelpumpe 11 nicht statt, da der Anschluß
der Rücklaufleitung 15 so ausgestaltet ist, daß dies ver
hindert wird. Im dargestellten Beispiel ist hierzu die
Zulaufleitung 12 düsenförmig ausgebildet und ringförmig
von der Rücklaufleitung 15 umhüllt. Weiter ist der Durch
messer der Rücklaufleitung 15 und der des Düsenstrahls
aus der Zuleitung 12 so dimensioniert und aufeinander ab
gestimmt, daß abhängig von der Pumpenförderleistung und
der geodätischen Höhe des Vorratsbehälters folgende Funk
tionen erfüllt werden:
Setzt aufgrund von Flüssigkeitsmangel kurzzeitig die Pumpe aus, wird in der Zulaufleitung 12 kein Kühlmittel gefördert. Es kann nun durch den Ringspalt neben der dü senförmigen Mündung der Zulaufleitung 12 in die Rücklauf leitung 15 auf die Saugseite der Kühlmittelpumpe fließen. Dadurch stellt sich ein niedriger Stand im Vorratsbehäl ter 13 ein, der im Schaufenster 16 sichtbar ist.
Setzt aufgrund von Flüssigkeitsmangel kurzzeitig die Pumpe aus, wird in der Zulaufleitung 12 kein Kühlmittel gefördert. Es kann nun durch den Ringspalt neben der dü senförmigen Mündung der Zulaufleitung 12 in die Rücklauf leitung 15 auf die Saugseite der Kühlmittelpumpe fließen. Dadurch stellt sich ein niedriger Stand im Vorratsbehäl ter 13 ein, der im Schaufenster 16 sichtbar ist.
Im abgestellten Zustand kann keine Kühlflüssigkeit aus
dem Vorratsbehälter 13 abfließen, da sich dann immer
Kühlflüssigkeit vor der Kühlmittelpumpe befindet und die
in den Leitungen 14 und 15 zu- bzw. abströmenden Flüssig
keitsmengen gleich sein müssen (sog. Vogeltränkenprin
zip).
Die Kontrolle des richtigen Kühlflüssigkeitsstandes ge
lingt auch bei Motorbetrieb mit niedriger Last, bei
spielsweise im Leerlauf. Ist in diesem Betriebszustand zu
wenig Kühlmittel im Kreislauf vorhanden, so wird auch
hier von der Kühlmittelpumpe 11 Luft angesaugt, wodurch
der Kühlmittelzulauf in den Vorratsbehälter 13 über die
Zulaufleitung 12 unterbrochen wird. Hierbei kann sich
dann gesammeltes Kühlmittel im Vorratsbehälter 13 über
die Rücklaufleitung 15 in die Rücklaufleitung 10 ent
leeren, wodurch das Kühlmittelniveau im Vorratsbehälter
13 ebenfalls sinkt.
Die Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der An
ordnung gemäß Fig. 1 nur dadurch, daß auf der Saugseite
der Kühlmittelpumpe 11 in die Rücklaufleitung 10 nur eine
einzige Leitung 19 mündet, die sich in die entsprechenden
Leitungen 14, 15 und 17 aufteilt. Ansonsten sind die
Funktionen gleich.
Die Anordnung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der
nach Fig. 1 dadurch, daß die Rücklaufleitung 15 nun
nicht mehr am Eintritt der Zulaufleitung 12 in den Behäl
terboden des Vorratsbehälters 13 abzweigt, sondern als
separate Leitung ausgeführt ist. Diese Anordnung kann im
mer dann gewählt werden, wenn die Pumpenförderleistung
und die Anordnung des Vorratsbehälters entsprechend auf
einander abgestimmt sind.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Fig. 4 unterschei
det sich ebenfalls von den bisherigen Ausführungen nur
durch die Ausgestaltung der Zulaufleitung 12 und der
Rücklaufleitung 15. Hier ist am behälterseitigen Ende der
Zulaufleitung 12 ein Steuerkolben 20 vorgesehen, der
durch den Pumpenförderdruck gegen sein Eigengewicht ange
hoben wird und dabei eine Bypass-Leitung 21 in den Vor
ratsbehälter 13 freigibt. Gleichzeitig wird die Rücklauf
leitung 15 verschlossen. Die Auflagekraft des Steuer
kolbens 20 kann durch eine - im vorliegenden Beispiel
nicht dargestellte - Feder verstärkt werden.
Strömt durch die Zulaufleitung 12 Luft ein, so sinkt der
Kolben 20 ab und gibt die Rücklaufleitung 15 frei, so daß
im Vorratsbehälter 13 vorhandenes Kühlmittel auf die
Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 strömen kann. Auch hier
wird dann dadurch der Kühlmittelstand absinken, was
wiederum durch das Schaufenster 16 sichtbar ist.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung nach Fig. 5 un
terscheidet sich von der nach Fig. 1 dadurch, daß nach
der Abzweigung der Zulaufleitung 12 in die Rücklauf
leitung 10 eine Venturidüse 33 eingebaut ist. An der
engsten Stelle der Venturidüse mündet die Saugleitung 32,
deren anderes Ende mit dem Vorratsbehälter 13 auf Höhe
der Überlaufleitung 14 verbunden ist. Die gesamte An
ordnung verfolgt den Zweck, die Luft oberhalb des Flüs
sigkeitsspiegels im Vorratsbehälter 13 bei steigendem
Flüssigkeitsstand abzusaugen, die sonst durch die Über
laufleitung 14 verdrängt werden müßte. Hiermit erhält man
eine stärkere Proportionalität zwischen der im System
vorhandenen Kühlmittelmenge und dem Füllstand im Behäl
ter. Denkbar ist auch ein Einbau der Venturidüse 33 zwi
schen der Mündung der Rücklaufleitung 15 und der Kühl
mittelpumpe 11 oder zwischen der Rücklaufleitung 15 und
der Befüll-Leitung 17, wobei an die Venturidüse in diesem
Fall die Saugleitung 32 durch die Überlaufleitung 14 er
setzt wird. Die Saugleitung 32 entfällt damit gänzlich.
In Abb. 6 ist stark schematisiert die Kühlmittel
pumpe 11 mit ihrer Druckleitung dargestellt. Die Kühlmit
telpumpe 11 ist hier als Kreiselpumpe ausgestaltet. Das
Geschwindigkeitsprofil auf ihrer Druckseite bei voller
Förderleistung ist mit 30 bezeichnet, bei Teilförderung,
d. h. bei Vorhandensein von Lufteinschlüssen mit 31.
Dementsprechend zweigt die Zulaufleitung 12 auf der der
Kühlmittelpumpe 11 zugewandten Seite der Druckleitung ab,
weil bei kurzzeitiger Unterbrechung der Förderleistung
durch Ansaugen von Luft oder Gas die Strömungs
geschwindigkeit an der Innenseite zuerst zusammenbricht.
Dies bedeutet, daß wiederum in die Zulaufleitung 12 keine
Flüssigkeit gefördert mit den bereits weiter oben be
schriebenen Effekten.
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Erkennen von Flüssigkeitsmangel bei
einem teilweise gefüllten System, in dem über eine
Pumpe Flüssigkeit zirkuliert und in dem ein mit dem
System verbundener, ansonsten geschlossener
Vorratsbehälter vorgesehen ist, insbesondere für
Verdampfungskühlsysteme von Brennkraftmaschinen,
gekennzeichnet durch eine stromab der Pumpe (11)
den Vorratsbehälterboden mit dem System verbindende
Zulaufleitung (12), eine einem Nennfüllniveau im
Vorratsbehälter (13) definierende und das System
stromauf von der Pumpe (11) verbindende Überlauf
leitung (14), eine den Vorratsbehälterboden und das
System stromauf der Pumpe (11) verbindenden Rück
laufleitung (15), die derart angeschlossen ist, daß
bei normalen Betrieb Flüssigkeit, die durch die Zu
laufleitung (12) in den Vorratsbehälter (13)
hineinfließt, das Nennfüllniveau erreichen kann und
Mittel zum Erkennen des Erreichens des Nennfüll
niveaus.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufleitung (12)
und die Rücklaufleitung (15) so dimensioniert sind,
daß mehr Flüssigkeit durch die Zulaufleitung (12)
in den Vorratsbehälter (13) hineinströmt als durch
die Rücklaufleitung (15) wieder hinausströmen kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitung
(15) eine Anordnung aufweist, die einen Rücklauf
verhindert so lange, wie Flüssigkeit durch die Zu
laufleitung (12) hineinströmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die den Rückfluß ver
hindernde Anordnung dadurch gebildet ist, daß die
Zulaufleitung (12) Flüssigkeit durch eine Düse in
den Vorratsbehälter (13) einspritzt, wobei die Düse
von der Rücklauföffnung umgeben ist und der Durch
messer der Düse und der der Rücklauföffnung so be
stimmt sind, daß der Düseneffekt einen Rücklauf
verhindert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zulauf
leitung (12) fließende Flüssigkeit einen Kolben
(20) derart bewegt, daß er den Rücklauf verhindert.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufleitung
(14) und die Rücklaufleitung (15) zusammengefaßt
sind zu einer einzigen Leitung (19).
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Überlauf
leitung (14) bzw. Rücklaufleitung (15) eine System
befüll-Leitung (17) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Systembefüll-Lei
tung (17) an der zusammengefaßten Leitung (19) an
geschlossen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Zu
laufleitung (12) auf der Druckseite der Pumpe (11)
eine Venturidüse (33) vorgesehen ist, an deren eng
stem Querschnitt eine Saugleitung (32) mündet, die
mit dem Vorratsbehälter (13) auf Höhe des Nennfüll
niveaus verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Saugseite der
Pumpe (11) eine Venturidüse (33) vorgesehen ist, an
deren engstem Querschnitt die Überlaufleitung (14)
angeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Pumpe (11) eine
Kreiselpumpe vorgesehen ist und die Zulaufleitung
(12) von dem Innenumfang des Pumpenaustrittsquer
schnitts abzweigt.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erkennen
des Nennfüllstandes durch ein Schauglas an der Be
hälterwand gebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe in einer
Rücklaufleitung von einem Verdampfer zu den Kühl
räumen einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4428208A DE4428208B4 (de) | 1994-08-09 | 1994-08-09 | Vorrichtung zum Erkennen von Flüssigkeitsmangel |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4428208A DE4428208B4 (de) | 1994-08-09 | 1994-08-09 | Vorrichtung zum Erkennen von Flüssigkeitsmangel |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4428208B4 DE4428208B4 (de) | 2007-03-22 |
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DE4428208A Expired - Fee Related DE4428208B4 (de) | 1994-08-09 | 1994-08-09 | Vorrichtung zum Erkennen von Flüssigkeitsmangel |
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