DE4431834A1 - Überdruck-Kühlsystem mit Leckagerückführung für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überdruck-Kühlsystem mit Leckage­ rückführung für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dabei ist insbe­ sondere an ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine gedacht, wie sie in Fahrzeugen, speziell in Kraftfahrzeugen, Einsatz findet.

Überdruck-Flüssigkeitskühlsysteme der vorgenannten Art umfassen als einen elementaren Bestandteil eine Flüssigkeitspumpe, wel­ che der Erhöhung bzw. Aufrechterhaltung der Kühlmittelzirkula­ tion in dem Kühlkreislauf dient. Bedingt durch den Überdruck, der während des Betriebs der Brennkraftmaschine in dem Kühlsy­ stem entsteht, kann nicht vermieden werden, daß eine Leckage von Kühlmittel z. B. an den Dichtungen der Kühlmittelpumpe oder anderswo im Kühlsystem auftritt. Besagter Überdruck dient dazu, ein Sieden der Kühlflüssigkeit bei einer Temperatur, welche niedriger ist als die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschi­ ne, zu verhindern. Das Kühlmittel tritt entweder direkt ins Freie oder wird von einem Leckagebehälter gesammelt und über einen Abführkanal ins Freie geführt. In beiden Fällen tritt so­ mit ein unerwünschter Verlust von Kühlmittel aus dem Kühlkreis­ lauf auf. Sowohl unter ökonomischen - fortwährendes Nachfüllen von Kühlflüssigkeit in das Kühlsystem - als auch unter ökologi­ schen - Entweichen von eventuell schadstoffhaltigen Kühlflüs­ sigkeiten in die Umwelt - Gesichtspunkten ist ein solcher Ver­ lust zu vermeiden. Auch ist das Betreiben einer Brennkraftma­ schine in einem nach unten geschlossenen Raum (z. B. Wasserfahr­ zeug) vorstellbar, wo jedwede nicht aufgefangene Leckage zu un­ angenehmer Pfützenbildung führt.

Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, ist eine Flüssig­ keitspumpe mit integriertem Leckagebehälter bekannt, wie z. B. in P 43 18 158 beschrieben, wobei eine Rückführung der darin aufgefangenen Flüssigkeitsmenge in das Kühlsystem unter Ausnut­ zung von Druckverhältnissen erfolgt, wie sie im Betrieb der Flüssigkeitspumpe in dieser selbst und/oder in einer ihr zuge­ ordneten Einrichtung, z. B. einer Brennkraftmaschine, auftreten.

Die Höhendifferenz zwischen dem unterhalb der Flüssigkeitspumpe angeordneten Leckagebehälter an einem unteren Punkt und einem Kühlmittelausgleichsbehälter an einem höchsten Punkt des Kühl­ systems ist nicht unerheblich. Zu diesem höchsten Punkt soll beim Abkühlen der Brennkraftmaschine und des Kühlmittels durch den entstehenden Unterdruck die in dem Leckagebehälter aufge­ fangene Kühlflüssigkeit in den Ausgleichsbehälter zurückgesaugt werden. Folglich wird eine große Druckdifferenz, d. h. ein gro­ ßer Unterdruck, benötigt, um die besagte Kühlmittelrücksaug­ funktion ausführen zu können. In der vorbekannten Vorrichtung soll diese Druckdifferenz allein als Folge der in der Brenn­ kraftmaschine und der Kühlflüssigkeit auftretenden betriebsbe­ dingten Temperaturdifferenz entstehen. Aber nur im Falle einer Fehlfunktion des Kühlsystems, d. h. einer Überhitzung, in deren Folge über ein Überdruckventil Luft und Kühlflüssigkeit das Kühlsystem verlassen und somit eine Mengenminderung der in dem Kühlsystem enthaltenen Stoffe eintritt, entsteht in dem Kühlsy­ stem ein Druck, der kleiner ist als der Umgebungsdruck und be­ nötigt wird, um die besagte Saugfunktion ausführen zu können. Die beschriebene Fehlfunktion ist jedoch in hohem Maße uner­ wünscht und sollte im Betrieb einer Brennkraftmaschine nicht auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überdruck-Kühlsy­ stem mit Leckagerückführung der eingangs erwähnten Art zu lie­ fern, welches eine genügend hohe Druckdifferenz erzeugt, um das Rücksaugen der in dem Leckagebehälter angesammelten Kühlflüs­ sigkeit ohne zusätzlichen Über- oder Unterdruck erzeugende Ein­ richtungen und somit ohne zusätzlichen Energieaufwand zu ermög­ lichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Aus­ gleichsbehälter ein eine gezielte Leckage von Luft in dem an sich geschlossenen Kühlsystem zulassendes Schwimmer-Öffnungs­ ventil parallelgeschaltet ist, wobei das Schwimmer-Öffnungsven­ til mit dem nach oben hin offenen Auffangbehälter verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Schwimmer-Öffnungsventil gebildet von einem Schwimmerrohr, ei­ nem, vorzugsweise kugelförmigen, Schwimmer und, vorzugsweise trichterförmigen, starren Ventilflächen.

In einer alternativen Ausführungsform besitzt der Schwimmer ei­ ne plane Oberfläche und die Ventilflächen sind ebenfalls plan, insbesondere lochscheibenförmig, ausgebildet.

Vorzugsweise wird das Verbindungselement zwischen dem Auffang­ behälter und dem Schwimmer-Öffnungsventil von einem Schlauch oder einem Rohr gebildet.

In einer besonderen Ausführungsform bildet das Schwimmerrohr eine Einheit mit dem Ausgleichsbehälter, vorzugsweise derge­ stalt, daß es innerhalb des Ausgleichsbehälters integriert ist.

Ein das Verbindungselement in einen vorderen und einen hinteren Teil teilender Abzweig zeichnet eine alternative Ausführungs­ form des Kühlsystems gemäß der Erfindung aus, wobei in dem Ab­ zweig ein Ablaßelement anschließt. In dem hinteren Teil des Verbindungselementes ist ein Ansaugventil und in das Ablaßele­ ment ein Ablaßventil integriert.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Ven­ tilschließkörper des Schwimmer-Öffnungsventils in dem Schwim­ merrohr mit einem Thermoelement verbunden, welches wiederum ei­ ne feste Verbindung zu der Wand des Schwimmerrohres besitzt. Dadurch kann die Funktionssicherheit des Kühlsystems besonders im Falle einer Über- bzw. Unterbefüllung mit Kühlflüssigkeit, erhöht werden. Das Thermoelement wird vorzugsweise von einem Dehnelement, z. B. aus Bimetall, dargestellt.

Die Integration eines Kondensators in das Verbindungselement mit einer den Kondensator und das Schwimmerrohr verbindenden Verbindungsleitung zur Ableitung der kondensierten Flüssigkeit sieht eine weitere Ausführungsform des Kühlsystems gemäß der Erfindung vor. Ebenso kann das Sicherheitsüberdruckventil an dem Ausgleichsbehälter über eine Rückführleitung, welche einen Kondensator umfaßt, mit dem Schwimmerrohr verbunden sein.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt in schema­ tischer Darstellung:

Fig. 1 ein Kühlsystem gemäß der Erfindung unter Weg­ lassung der vorbekannten Bestandteile in einer ersten Ausführungsform.

Fig. 2 das Schwimmer-Öffnungsventil in einer alterna­ tiven Ausführungsform.

Fig. 3 eine alternative Ausgleichsbehälter/Schwimmer- Öffnungsventil-Anordnung.

Fig. 4 eine Abzweiggestaltung im Verbindungselement.

Fig. 5 ein thermoelementgesteuertes Schwimmer-Öff­ nungsventil.

Fig. 6 ein Kühlsystem gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit Kondensator im Verbindungselement.

Fig. 7 ein Kühlsystem gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit an das Überdruck­ ventil angeschlossener Rückführleitung.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil eines Überdruck-Kühlsystems besteht aus einem Ausgleichsbehälter 9, einem Schwimmer-Öff­ nungsventil 20, welche beiden Bestandteile an einem höchsten Ort des Kühlsystems angeordnet sind, einem Auffangbehälter 6, welcher unterhalb einer Kühlmittelpumpe angeordnet ist sowie einem Verbindungselement 7.

Beim Öffnen des Verschlußdeckels 2 stellt sich der Kühlmittel­ stand im Schwimmerrohr 4 und im Ausgleichsbehälter 9 auf ein gleiches Niveau ein. Erwärmt sich infolge des Betriebs der Brennkraftmaschine das Kühlmittel 5 und die im Ausgleichsbehäl­ ter 9 befindliche Luft 10, so steigt der Druck im Ausgleichsbe­ hälter an. Dies hat zur Folge, daß der Flüssigkeitsspiegel im Schwimmerrohr 4 steigt. Es wird Luft aus dem oberen Teil des Schwimmerrohres solange durch das Verbindungselement 7 und den tieferliegenden Behälter 6 verdrängt, bis der Schwimmer 3 an den starren Ventilflächen 8 anliegt, das Schwimmer-Öffnungs­ ventil 20 also geschlossen ist.

Danach baut sich bei weiter ansteigender Kühlmitteltemperatur ein Überdruck im Kühlsystem auf. Dieser Überdruck preßt den Schwimmer 3 zusätzlich in den Dichtsitz 8.

Sinkt der Überdruck im Kühlsystem unter einen bestimmten Wert, so öffnet der Schwimmer 3 des Ventils 20 und Luft und/oder Kühlflüssigkeit strömt über das Verbindungselement 7 in den Ausgleichsbehälter 9.

Ein unzulässig hoher Überdruck im System wird durch das Über­ druckventil 1 verhindert.

Der maximale im Kühlsystem auftretende Unterdruck wird durch die Saughöhe 15, also die Höhendifferenz zwischen dem tieflie­ genden Behälter 6 und dem höchsten Punkt des Verbindungselemen­ tes 7, begrenzt.

Ein in der konstruktiven Lösung von diesem beschriebenen System abweichendes, aber funktionsidentisches Kühlsystem zeigt Fig. 3, worin das Schwimmerrohr 44 innerhalb des Ausgleichsbehälters 49 in diesen integriert ist.

Fig. 2 stellt eine alternative Ausführungsform des Schwimmer- Öffnungsventils dar. Dabei weist der Schwimmer 33 eine plane Oberfläche 31 auf, die das Ventil gegen die planen Ventilflä­ chen 38 schließt.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsvariante des Kühlsystems gemäß der Erfindung mit einem zusätzlichen Ansaugventil 71 und einem zusätzlichen Ablaßventil 72 bewirkt folgendes: Beim An­ steigen des Flüssigkeitsspiegels im Schwimmerrohr 4 wird die darüber befindliche Luft aufgrund der absperrenden Wirkung des Ventils 71 nicht durch die Flüssigkeit im tieferliegenden Be­ hälter 6, sondern durch das Ablaßventil 72 in die Umgebung ver­ drängt. Beim Abkühlen des Systems schließt das Ablaßventil 72 und die Flüssigkeit aus dem Auffangbehälter 6 wird durch den hinteren Teil des Verbindungselementes 74, das Ansaugventil 71 und den vorderen Teil des Verbindungselementes 73 in das Schwimmerrohr 4 gesaugt.

Je nach Auslegung der Schließcharakteristik des Ansaugventils 71 ist sowohl ein langsames, kontinuierliches Ansaugen als auch ein plötzliches Ansaugen einstellbar.

Eine mögliche alternative Ausführungsform des Öffnungsventils ist in Fig. 5 gezeigt. Die Steuerung des Ventils im Schwimmer­ rohr 50 wird bei dieser Variante kombinativ über den Wasser­ stand im Schwimmerrohr und/oder über ein Thermoelement 55 ge­ währleistet. Dieses Thermoelement dehnt sich bei Erwärmung aus und verschließt über den Ventilschließkörper 53 das Ventil im Schwimmerrohr. Beim Abkühlen öffnet das Ventil wieder.

Fig. 6 veranschaulicht eine Variante des Kühlsystems gemäß der Erfindung, bei der zusätzlich im Verbindungselement 80 ein Kon­ densator 85 eingebaut ist. Der Kondensator 85 hat die Aufgabe, verdampfte Flüssigkeit aus dem Schwimmerrohr zu kondensieren. Das Kondensat wird über eine Verbindungsleitung 86 dem Schwim­ merrohr 4 zugeführt. Die Möglichkeit, ebenfalls das über das Überdruckventil 1 den Ausgleichsbehälter 9 verlassende Luft- Flüssigkeits-Gemisch dem Kühlsystem wieder zuzuführen, zeigt Fig. 7. Am Überdruckventil 1 ist dabei eine Rückführungslei­ tung 90 mit einem Kondensator 95 eingebaut. Über das Überdruck­ ventil 1 entweicht bei einer Überlastung des Kühlsystems Kühl­ mittel und Kühlmitteldampf. Beides wird über einen Kondensator 95 geleitet und das Kondensat zum Schwimmerrohr 4 geführt. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß keine Kühlflüssigkeit in die Umwelt gelangt.

Claims (9)

1. Überdruck-Kühlsystem für eine flüssigkeitsgekühlte Brenn­ kraftmaschine, insbesondere in Fahrzeugen, speziell in Kraftfahrzeugen, mit einem Kühlmittelausgleichsbehälter an einem höchsten Punkt des Kühlsystems, einem das Kühlsystem verschließenden Überdruckventil, einer Kühlmittelpumpe, we­ nigstens einem an einem tiefen Punkt des Kühlsystems, vor­ zugsweise unterhalb der Kühlmittelpumpe, angeordneten Lecka­ geauffangbehälter und eine den Auffangbehälter und den Aus­ gleichsbehälter verbindende Rückführeinrichtung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Ausgleichsbehälter (9) ein eine ge­ zielte temporäre Leckage von Luft in dem an sich geschlosse­ nen Kühlsystem zulassendes Schwimmer-Öffnungsventil (20) pa­ rallel geschaltet ist, wobei das Schwimmer-Öffnungsventil (20) mit dem nach oben hin offenen Auffangbehälter (6) ver­ bunden ist.

2. Überdruck-Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schwimmer-Öffnungsventil (20) gebildet wird von einem Schwimmerrohr (4), einem, vorzugsweise kugelförmigen, Schwimmer (3) und, vorzugsweise trichterförmigen, starren Ventilflächen (8).

3. Überdruck-Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwimmer (33) eine plane Oberfläche (31) be­ sitzt und die Ventilflächen (38) ebenfalls plan, vorzugs­ weise lochscheibenförmig, ausgebildet sind.

4. Überdruck-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbindungselement (7) zwischen dem Auffangbehälter (6) und dem Schwimmer-Öff­ nungsventil (20) gebildet wird von einem Schlauch oder einem Rohr.

5. Überdruck-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwimmerrohr (44) eine Einheit mit dem Ausgleichsbehälter (9) bildet, vorzugsweise, daß es in dem Ausgleichsbehälter (9) integriert ist.

6. Überdruck-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement durch einen Abzweig (70) in einen vorderen (73) und einen hinteren Teil (74) geteilt wird, wobei in dem Abzweig (70) ein Ablaßelement (75) anschließt, in dem hinteren Teil des Verbindungselementes ist ein Ansaugventil (71) und in das Ablaßelement (75) ein Ablaßventil (72) integriert.

7. Überdruck-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschließkörper (53) des Schwimmer-Öffnungsventils in dem Schwimmerrohr (50) mit einem Thermoelement (55) verbunden ist, welches wiederum eine feste Verbindung (54) zu der Wand des Schwimmerrohres (50) besitzt.

8. Überdruck-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in das Verbindungselement (80) ein Kondensator (85) mit einer den Kondensator (85) und das Schwimmerrohr (4) verbindenden Verbindungsleitung (86) zur Ableitung der kondensierten Flüssigkeit integriert ist.

9. Überdruck-Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckventil (1) über eine Rückführleitung (90), welche einen Kondensator (95) umfaßt, mit dem Schwimmerrohr (4) verbunden ist.