WO2007057312A1 - Vorrichtung zur kühlung eines verbrennungsmotors - Google Patents

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cooling system
internal combustion
combustion engine
cylinder head
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Johannes Ante
Peter Biber
Stephan Heinrich
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    • F01P11/18—Indicating devices; Other safety devices concerning coolant pressure, coolant flow, or liquid-coolant level
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    • F01P2031/00—Fail safe
    • F01P2031/18—Detecting fluid leaks

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a
  • Internal combustion engine with a cooling system that passes coolant through the internal combustion engine.
  • Such devices are well known and used to cool powerful internal combustion engines.
  • the coolant is preferably passed through the so-called cylinder head.
  • the cylinder head gasket located between the cylinder head and the engine block shows small leaks, causing a creeping loss of coolant that is not usually noticed by the driver. If the leak is not corrected, the engine may be damaged due to cylinder head overheating.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a secured against loss of coolant device for cooling an internal combustion engine.
  • the cooling system comprises a gas sensor with which combustion gases can be detected. If the cylinder head gasket is tight, are in the cooling system except impurities only air, water vapor, corrosion inhibitor and antifreeze available. But even with a slight leakage of the cylinder head gasket combustion gases from the cylinders can penetrate into the cooling system. If therefore provides with the gas sensor such combustion gases in the cooling system Festge ⁇ , it can be assumed that the cylinder head gasket is leaking. Since the leak is detected promptly to their occurrence, a further journey is initially readily possible because the loss of coolant is initially low. Therefore, there is sufficient time to visit a workshop with the vehicle, which fixes the damage to the cylinder head gasket.
  • the gas sensor is arranged in the flow direction behind a pressure relief valve of a surge tank of the cooling system.
  • vaporous coolant usually exits at the pressure relief valve of the expansion tank.
  • the gaseous coolant can with the help of
  • Gas sensors are analyzed. If combustion gases are contained in the gaseous coolant, this can be detected by means of the gas sensor.
  • the gas sensor is arranged in the gas-filled region of a gas collection container of the cooling system. Since the combustion gases are distributed throughout the cooling system due to the transport of the coolant and due to diffusion, the combustion gases can also be detected at this location.
  • the gas sensor is sensitive to at least one of the gases from the group CO, CO 2 , HC and NO x .
  • Gas sensors for such gases already exist and are usually used for the detection of combustion gases in the exhaust gas system.
  • Such gas sensors can according to the modification required for the changed purpose also be used for the detection of combustion gases in the cooling system.
  • an evaluation unit which monitors the time profile of the measurement signal supplied by the gas sensor. When exceeding or falling below predetermined limits, the evaluation can make an entry in a fault memory, so that even creeping leaks that occur at certain driving conditions, can be detected.
  • the evaluation unit may also be capable of triggering a warning indication which, in the event of a detected failure, indicates to the driver an engine problem and prompts the driver to visit a workshop.
  • the evaluation unit may also cause a reduction in engine performance to the extent necessary in the presence of a determined with certainty defect.
  • Figure 1 is a section through an internal combustion engine
  • FIG. 2 shows the illustration of a cooling system for the internal combustion engine from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1, which is an in-line engine with four cylinders 2.
  • piston 3 which are connected via connecting rods 4 with a crankshaft 5.
  • the cylinders 2 are formed in an engine block and sealed by a common cylinder head 7, in which sit the injectors and exhaust valves, not shown in Figure 1.
  • a cylinder head gasket ⁇ 8 Between Cylinder head 7 and the engine block 6 is located, a cylinder head gasket ⁇ 8, which may occasionally leak. As a result, hot combustion gases can enter a cooling system 9, which is shown in more detail in Figure 2.
  • the cooling system 9 comprises a main circuit 10, is pumped in the cooling means 11 of a coolant pump 13 through the Zylin ⁇ The head. 7
  • the main circuit 10 also includes a surge tank 13, through which the expansion of the coolant 11 can be compensated for heating or heating.
  • the expansion tank 13 has a pressure relief valve 14, which opens at overpressure in the cooling system 9 and can escape coolant from the surge tank 13 in a breather 15.
  • the cooling system 9 includes a secondary circuit 16, which leads the coolant to a radiator 17.
  • the flow through the radiator 17 is controlled by a thermostat 18, the access to the secondary circuit 16 blocks during cold start and the access to the secondary circuit 16 opens upon reaching the Radiotempe ⁇ temperature of the coolant 11.
  • cooling system can comprise further components, not shown in FIG. 2, such as oil cooling or a heat exchanger for heating the passenger compartment 2.
  • a gas sensor 19 is provided in the region of the exhaust gas nozzle 15 which detects combustion gases in the bleed nozzle 15.
  • combustion gas enters the cooling system 9 through a leak in the cylinder head gasket 8
  • coolant generally escapes through the overpressure valve 14.
  • combustion gases also enter the bleed port 15, where they can be detected by the gas sensor 19.
  • the gas sensor 19 is acted upon by a measuring signal an evaluation unit 20 which monitors the time course of the measurement signal supplied by the gas sensor 19 ⁇ .
  • the evaluation unit 20 may be a circuit or a microprocessor developed for monitoring the gas sensors 19 or 24, the program code for monitoring the gas sensors 19 and
  • the evaluation unit 20 On exceeding predetermined limit values of the measurement signal, the evaluation unit 20 makes an entry in an error before ⁇ memory 21st If it can be determined with certainty by exceeding predetermined limit values that the cylinder head gasket 8 is leaking, a warning signal 22 on a display unit 23 can also be activated. By the warning signal 22, the driver is promptly, one
  • the engine power can be reduced by Abregein the necessary extent.
  • the fault memory 21 is read out during inspection.
  • the cylinder head gasket 8 can be replaced as a precaution.
  • a further gas sensor 24 may be present, which is arranged at a different point of the cooling system 9.
  • the gas sensor 24 may, for example, in a gas collection container
  • the gas sensors 19 and 24 may be, for example, gas sensors with which combustion gases such as CO 2 , CO, HC or NO x are detectable. With the help of the gas sensors 19 and 24, a leak of the cylinder head gasket 8 can be detected so early that a normal operation of the combus ⁇ tion motor 1 is still possible for a sufficiently long time to repair. In particular, the repair of the internal combustion engine 1 can also be planned. The internal combustion engine 1 thus does not suddenly fail.
  • the defect of the cylinder head gasket 8 is already noticed before a rise in the temperature of the coolant 11 or an increase in the temperature of the cylinder head 7.
  • a monitoring of the temperature of the coolant 11 and the cylinder head 7 can be carried out in addition.
  • the temperature rise only occurs when a significant proportion of the coolant 11 has already been lost.
  • a continuation is possible in this case, but can easily lead to a total loss of the internal combustion engine 1.
  • the warning device described here which detects a leaking cylinder head gasket 8 very early, is therefore advantageous.
  • gas sensors 19 and 24 may also be gas sensors in question, which are used for monitoring of ventilation and air conditioning systems.

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Abstract

Zur Überwachung der Dichtigkeit einer Zylinderkopfdichtung eines Verbrennungsmotors (1) wird vorgeschlagen, das Kühlsystem (9) des Verbrennungsmotors (1) mit Gassensoren (19, 24) auszustatten. Durch die Gassensoren (19, 24) können Verbrennungsgase, die durch ein Leck in der Zylinderkopfdichtung (8) in das Kühlsystem (9) eindringen, detektiert und auf diese Weise Lecks der Zylinderkopfdichtung (8) festgestellt werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines
Verbrennungsmotors mit einem Kühlsystem, das Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor hindurchführt.
Derartige Vorrichtungen sind allgemein bekannt und werden zur Kühlung leistungsstarker Verbrennungsmotoren verwendet. Das Kühlmittel wird dabei vorzugsweise durch den so genannten Zylinderkopf hindurchgeführt.
Gelegentlich zeigt die Zylinderkopfdichtung, die zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock angeordnet ist, geringe Lecks, durch die ein schleichender Verlust an Kühlmittel erfolgt, der in der Regel vom Fahrer nicht bemerkt wird. Falls das Leck nicht behoben wird, kann der Motor auf Grund einer Zylinderkopfüberhitzung beschädigt werden.
Es besteht daher Bedarf nach einer Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors, die gegen derartige Fehlfunktion gesichert ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt die Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine gegen Kühlmittelverlust abgesicherte Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei der Vorrichtung zur Kühlung des Verbrennungsmotors um- fasst das Kühlsystem einen Gassensor, mit dem Verbrennungsgase erfassbar sind. Wenn die Zylinderkopfdichtung dicht ist, sind im Kühlsystem bis auf Verunreinigungen lediglich Luft, Wasserdampf, Korrossionschutzmittel und Frostschutzmittel vorhanden. Bereits bei einer geringfügigen Undichtigkeit der Zylinderkopfdichtung können aber Verbrennungsgase aus den Zylindern in das Kühlsystem eindringen. Wenn daher mit dem Gassensor derartige Verbrennungsgase im Kühlsystem festge¬ stellt werden, kann davon ausgegangen werden, dass die Zylinderkopfdichtung undicht ist. Da die Undichtigkeit zeitnah zu deren Eintreten festgestellt wird, ist eine Weiterfahrt zunächst ohne weiteres möglich, da der Verlust an Kühlmittel zunächst gering ist. Es bleibt daher ausreichend Zeit, um mit dem Fahrzeug eine Werkstatt aufzusuchen, die den Schaden an der Zylinderkopfdichtung behebt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gassensor in Strömungsrichtung hinter einem Überdruckventil eines Ausgleichsbehälters des Kühlsystems angeordnet. Beim Eintritt heißer Verbrennungsgase in das Kühlsystem tritt in der Regel dampfförmiges Kühlmittel am Überdruckventil des Ausgleichsbe- hälters aus. Das gasförmige Kühlmittel kann mit Hilfe des
Gassensors analysiert werden. Wenn im gasförmigen Kühlmittel Verbrennungsgase enthalten sind, kann dies mit Hilfe des Gassensors festgestellt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Gassensor im mit Gas gefüllten Bereich eines Gassammelbehälters des Kühlsystems angeordnet. Da die Verbrennungsgase auf Grund des Kühlmitteltransports und auf Grund von Diffusion im gesamten Kühlsystem verteilt werden, können die Verbrennungs- gase auch an diesem Ort detektiert werden.
Vorzugsweise ist der Gassensor auf wenigstens eines der Gase aus der Gruppe CO, CO2, HC und NOx empfindlich. Gassensoren für derartige Gase existieren bereits und werden üblicherwei- se für die Detektion von Verbrennungsgasen im Abgasstrang verwendet. Derartige Gassensoren können nach den für den geänderten Verwendungszweck erforderlichen Modifikation auch zur Detektion von Verbrennungsgasen im Kühlsystem verwendet werden .
Zur Auswertung des vom Gassensor gelieferten Messsignals ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die den zeitlichen Verlauf des vom Gassensor gelieferten Messsignals überwacht. Beim Über- oder Unterschreiten vorbestimmter Grenzwerte kann die Auswerteeinheit einen Eintrag in einen Fehlerspeicher vornehmen, so dass auch schleichend auftretende Lecks, die bei bestimmten Fahrzuständen eintreten, detektiert werden können.
Die Auswerteeinheit kann auch dazu in der Lage sein, eine Warnanzeige auszulösen, die im Falle eines mit Sicherheit festgestellten Defekts dem Fahrer ein Motorproblem anzeigt und den Fahrer auffordert, eine Werkstatt aufzusuchen.
Die Auswerteeinheit kann ferner bei Vorliegen eines mit Sicherheit festgestellten Defekts eine Drosselung der Motorleistung im erforderlichen Umfang veranlassen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 ein Schnitt durch ein Verbrennungsmotor;
Figur 2 die Darstellung eines Kühlsystems für den Verbrennungsmotor aus Figur 1.
Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, bei dem es sich um einen Reihenmotor mit vier Zylindern 2 handelt. In den Zylindern 2 laufen Kolben 3, die über Pleuelstangen 4 mit einer Kurbelwelle 5 verbunden sind. Die Zylindern 2 sind in einem Motorblock ausgebildet und durch einen gemeinsamen Zylinderkopf 7 abgedichtet, in dem die in Figur 1 nicht dargestellten Einspritzventile und Abgasventile sitzen. Zwischen Zylinderkopf 7 und Motorblock 6 befindet sich eine Zylinder¬ kopfdichtung 8, die gelegentlich undicht werden kann. Dadurch können heiße Verbrennungsgase in ein Kühlsystem 9 gelangen, das in Figur 2 näher dargestellt ist.
Das Kühlsystem 9 umfasst einen Hauptkreislauf 10, in dem Kühlmittel 11 von einer Kühlmittelpumpe 13 durch den Zylin¬ derkopf 7 hindurchgepumpt wird. Zum Hauptkreislauf 10 gehört auch ein Ausgleichsbehälter 13, durch den die Ausdehnung des Kühlmittels 11 bei Erwärmung oder Erhitzung kompensiert werden kann. Der Ausgleichsbehälter 13 verfügt über ein Überdruckventil 14, das bei Überdruck im Kühlsystem 9 öffnet und Kühlmittel aus dem Ausgleichsbehälter 13 in einen Abblasstutzen 15 entweichen lässt.
Neben dem Hauptkreislauf 10 umfasst das Kühlsystem 9 einen Nebenkreislauf 16, der das Kühlmittel zu einem Kühler 17 führt. Der Durchfluss durch den Kühler 17 wird durch einen Thermostat 18 geregelt, der beim Kaltstart den Zugang zum Nebenkreislauf 16 sperrt und bei Erreichen der Betriebstempe¬ ratur des Kühlmittels 11 den Zugang zum Nebenkreislauf 16 öffnet .
Daneben kann das Kühlsystem weitere, in Figur 2 nicht darge- stellte Komponenten wie eine Ölkühlung oder einen Wärmetauscher für die Heizung des Fahrgastraumes 2 umfassen.
Um die Dichtheit der Zylinderkopfdichtung 8 zu überwachen, ist im Bereich des Abblasstutzens 15 ein Gassensor 19 vorge- sehen, der Verbrennungsgase im Abblasstutzen 15 detektiert. Wenn Verbrennungsgas durch ein Leck in der Zylinderkopfdichtung 8 in das Kühlsystem 9 eintritt, entweicht in der Regel Kühlmittel durch das Überdruckventil 14. Dadurch gelangen auch Verbrennungsgase in den Abblasstutzen 15, wo sie vom Gassensor 19 detektiert werden können. Der Gassensor 19 beaufschlagt mit einem Messsignal eine Auswerteeinheit 20, die den zeitlichen Verlauf des vom Gas¬ sensor 19 gelieferten Messsignals überwacht. Die Auswerteeinheit 20 kann eine für die Überwachung der von den Gassensoren 19 oder 24 entwickelte Schaltung oder ein Mikroprozessor sein, der Programmcode zur Überwachung der Gassensoren 19 und
24 ausführt.
Beim Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte des Messsignals nimmt die Auswerteeinheit 20 einen Eintrag in einen Fehler¬ speicher 21 vor. Wenn durch Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte mit Sicherheit festgestellt werden kann, dass die Zylinderkopfdichtung 8 undicht ist, kann auch ein Warnsignal 22 an einer Anzeigeeinheit 23 aktiviert werden. Durch das Warnsignal 22 wird der Fahrer aufgefordert, umgehend eine
Werkstatt aufzusuchen. Außerdem kann die Motorleistung durch Abregein im notwendigen Umfang verringert werden.
Demgegenüber wird der Fehlerspeicher 21 bei Inspektion ausge- lesen. Bei einer Häufung von Fehlern, die die Zylinderkopfdichtung 8 betreffen, kann die Zylinderkopfdichtung 8 vorsorglich ausgetauscht werden.
Neben dem Gassensor 19 oder anstatt des Gassensors 19 kann beispielsweise ein weiterer Gassensor 24 vorhanden sein, der an einer anderen Stelle des Kühlsystems 9 angeordnet ist. Der Gassensor 24 kann beispielsweise in einem Gassammelbehälter
25 vorhanden sein, in dem sich Gas aus dem Kühlsystem 9 sammelt. Bei einem Leck der Zylinderkopfdichtung 8 sammeln sich auch kleinste Mengen von Verbrennungsgasen im Gassammelbehälter 25, bis die Grenzkonzentration für das Auslösen des Fehlersignals erreicht ist. Der Gassammelbehälter hat inso¬ fern eine integrierende Wirkung.
Bei den Gassensoren 19 und 24 kann es sich beispielsweise um Gassensoren handeln, mit denen Verbrennungsgase wie CO2, CO, HC oder NOx detektierbar sind. Mit Hilfe der Gassensoren 19 und 24 kann ein Leck der Zylinderkopfdichtung 8 so frühzeitig festgestellt werden, dass ein normaler Betrieb des Verbren¬ nungsmotors 1 noch während einer ausreichend langen Zeit bis zu einer Reparatur möglich ist. Insbesondere kann die Repara- tur des Verbrennungsmotors 1 auch geplant werden. Der Verbrennungsmotor 1 fällt somit nicht plötzlich aus.
Der Defekt der Zylinderkopfdichtung 8 wird bereits vor einem Anstieg der Temperatur des Kühlmittels 11 oder einem Anstieg der Temperatur des Zylinderkopfs 7 bemerkt. Eine Überwachung der Temperatur des Kühlmittels 11 und des Zylinderkopfs 7 kann ergänzend durchgeführt werden. Allerdings kommt es nur dann zum Temperaturanstieg, wenn bereits ein erheblicher Anteil des Kühlmittels 11 verloren gegangen ist. Eine Weiter- fahrt ist in diesem Fall zwar möglich, kann jedoch leicht zu einem Totalschaden am Verbrennungsmotor 1 führen. Die hier beschriebene Warnvorrichtung, die sehr früh eine undichte Zylinderkopfdichtung 8 feststellt, ist daher von Vorteil.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Überwa¬ chung der Zylinderkopfdichtung 8 auf alle Arten von Verbrennungsmotoren angewendet werden kann.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass für die Gassensoren 19 und 24 unter Umständen auch Gassensoren in Frage kommen, die zur Überwachung von Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet werden .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Kühlung eines Verbrennungsmotors (1) mit einem Kühlsystem (9), das Kühlmittel (11) durch den Verbrennungsmotor (1) hindurchführt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Kühlsystem (9) einen Gassensor (19, 24) umfasst, mit dem Verbrennungsgase erfassbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s durch den Gassensor (19, 24) aus einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (1) durch eine undichte Zylinder¬ kopfdichtung (8) in das Kühlsystem (9) entwichene Verbrennungsgase erfassbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gassensor (19) in Strömungsrichtung hinter einem am Ausgleichsbehälter (13) des Kühlsystems (9) ausgebilde¬ ten Überdruckventil (14) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gassensor (19) in einem Abblasstutzen (15) des Aus¬ gleichsbehälters (13) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gassensor (24) an einem an das Kühlsystem (9) angeschlossenen Gassammelbehälter (25) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gassensor (19, 24) wenigstens ein Gas aus der Gruppe CO, CO2, HC und NOx erfasst.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gassensor (19, 24) eine Auswerteeinheit (20) mit dem Messsignal beaufschlagt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Auswerteeinheit (20) bei Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte einen Eintrag in einen Fehlerspeicher (21) vornimmt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Auswerteeinheit (20) bei Überschreiten eines für ei- nen sichern Defekt kennzeichnenden Grenzwerts ein vom Fahrer wahrnehmbares Warnsignal (22) an einer Anzeige¬ einheit (23) aktiviert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Auswerteeinheit (20) nach Erkennen eines sichern De¬ fekts der Zylinderkopfdichtung (8) eine Drosselung der Motorleistung durch Abregein veranlasst.
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