DE4428208A1 - Vorrichtung zum Erkennen von Flüssigkeitsmangel - Google Patents

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.

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.