DE19607638C1 - Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Kühlkreislauf ist beispielsweise in der DE 37 18 697 A1 beschrieben. In diesem Gesamt-Kühlkreislauf sind ein Hauptkreislauf und ein Kurzschlußkreislauf ausgebildet, die in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Kühlmittels durch ein Thermostatventil geschaltet werden. Der Kurzschlußkreislauf ist unterhalb einer vorgegebenen Öffnungstemperatur des Thermostatventils geschaltet, d. h. während des Kaltstarts und der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine. In diesem Kurzschlußkreislauf wird nur ein Teil des Kühlmittels umgewälzt, ohne den Kühler zu durchströmen, um damit die Aufwärmzeit zu verringern. Zusätzlich ist in diesem Kühlkreislauf ein Ausgleichbehälter vorgesehen, der als Kühlmittelspeicher und als Ausgleichsreservoir für temperaturbedingte Volumenschwankungen des Kühlmittels dient. Gleichzeitig dient dieser Ausgleichbehälter als Luft- bzw. Gasabscheider, wozu Entlüftungsleitungen von hochgelegenen Punkten der Brennkraftmaschine und/oder des Kühlers in diesen Ausgleichbehälter münden. Der Ausgleichbehälter ist üblicherweise so in den Kreislauf integriert, daß er unabhängig von der Betriebstemperatur des Kühlmittels und damit sowohl im Hauptkreislauf als auch im Kurzschlußkreislauf seiner Speicher-, Ausgleichs- und Entlüftungsfunktion erfüllt. Somit muß auch beim Kaltstart der Brennkraftmaschine bzw. während der Aufwärmphase das im Ausgleichbehälter befindliche Kühlmittelvolumen mit erwärmt werden. Dadurch verlängert sich die Aufwärmphase des Motors, was zu höheren Verbräuchen und höheren Schadstoffbelastungen führt. In der eingangs angeführten DE 37 18 697 A1 wird zur Verkürzung der Warmlaufphase vorgeschlagen, das Volumen des Ausgleichbehälters so aufzuteilen, daß wenigstens zwei das Kühlmittel speichernde Räume vorgesehen sind, von denen nur der kleinere Speicherraum in den Kurzschlußkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden ist, so daß das wesentlich geringere Volumen schneller aufzuheizen ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß die Aufwärmphase darüber hinaus deutlich reduziert wird und bei dem die im Kurzschlußkreislauf umgewälzte Kühlmittelmenge weitestgehend reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Anordnung eines Sperrventiles in der Entlüftungsleitung, mit dem die Verbindung zum Ausgleichbehälter sperrbar ist, kann in der Aufwärmphase das im Ausgleichbehälter gespeicherte Kühlmittelvolumen weitgehend aus dem Kühlkreislauf abgekoppelt werden. Dieses Kühlmittel muß dadurch in der Aufwärmphase nicht mit aufgeheizt werden, so daß sich die Aufwärmphase deutlich verkürzt. Wird bei Erreichen einer vorgegebenen Betriebsmitteltemperatur oder anderer von der Betriebsmitteltemperatur abhängiger Betriebsgrößen die Sperrung der Entlüftungsleitung aufgehoben, ist der Ausgleichbehälter mit dem gespeicherten Kühlmittelvolumen auf an sich bekannte Weise in den Kurzschlußkreislauf bzw. den Gesamtkreislauf des Kühlmittels eingebunden.

Die erfindungsgemäße Sperrung der Entlüftungsleitung erfolgt vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Kühlmittels und/oder vom Druck im Ausgleichbehälter. Der Druck im Ausgleichbehälter ist abhängig von der temperaturabhängigen Volumenänderung des Kühlmittels, so daß auch damit indirekt eine temperaturabhängige Sperrung bzw. Öffnung der Entlüftungsleitung zum Ausgleichbehälter erfolgt.

Eine derartige druck- bzw. temperaturabhängige Zu- und Abschaltung der Entlüftungsleitung erfolgt vorteilhafter Weise, indem das Sperrventil am Ausgleichbehälter angeordnet und sein Ventilglied durch einen vom Druck im Ausgleichbehälter beaufschlagten Kolben verstellt wird. Dabei kann in besonders vorteilhafter Weise das Ventilglied selbst als druckbeaufschlagbarer Kolben ausgebildet sein.

Wird das als druckbeaufschlagbarer Kolben ausgebildete Ventilglied gegen die Wirkung einer Feder beaufschlagt, kann auf vorteilhafte Weise eine definierbare Einstellung des Öffnungspunktes erfolgen. Dabei kann der Öffnungsdruck bzw. die Öffnungstemperatur im Bereich der Öffnungstemperatur des Thermostatventils liegen. Eine Öffnungstemperatur bzw. ein Öffnungsdruck, der ein früheres Öffnen des Sperrventils im Vergleich zum Thermostatventil bewirkt, ist jedoch ebenfalls möglich.

Sind in einem derartigen Kühlkreislauf mehrere Entlüftungsleitungen vorgesehen, die beispielsweise mit dem Kühler des Kühlkreislaufes (Wärmetauscher) und dem Gehäuse der Brennkraftmaschine verbunden sind, können diese auf vorteilhafter Weise am Sperrventil zusammengeführt werden. Damit sind dann durch das Ventilglied beide Entlüftungsleitungen bzw. alle Entlüftungsleitungen sperrbar, wodurch der Bauaufwand deutlich reduziert wird.

Eine getrennte Führung der unterschiedlichen Entlüftungsleitungen bis zum Ventilglied hat dabei den Vorteil, daß Druckunterschiede in den Leitungen aufgrund unterschiedlicher Längen nicht zu einem Kühlmittelfluß zwischen den einzelnen Entlüftungsleitungen unter Umgehung des Ausgleichbehälters führen können. Bei einer Zusammenführung der Entlüftungsleitungen vor dem Ventilglied würden aufgrund unterschiedlicher Leitungslängen unterschiedliche Leitungsdruckverluste auftreten, die dazu führen könnten, daß erwärmtes Kühlmittel von einer Entlüftungsleitung in die andere gedrückt würde und somit wieder in den Kreislauf eingespeist werden könnte.

Im Hinblick auf eine verbesserte Wartung bzw. eine kostengünstigere Reparatur eines derartigen Kühlkreislaufes, ist es vorteilhaft, wenn das Sperrventil lösbar am Ausgleichbehälter befestigt ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Sperrventil unabhängig vom Druck im Ausgleichbehälter manuell betätigt werden kann, so daß für eine Erstbefüllung, Neubefüllung oder bei Wartung und Reparatur die Befüllung des Kühlkreislaufes und des Ausgleichbehälters auf einfache Weise erfolgen kann.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Schaltbild des Kühlkreislaufes,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Sperrventil und

Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des Sperrventils.

Der erfindungsgemäße Kühlkreislauf ist ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform in Fig. 1 schematisch am Beispiel einer zweireihigen Brennkraftmaschine mit Zylindern 1 bis 6 dargestellt. Das nicht näher dargestellte Gehäuse 7 der Brennkraftmaschine weist Hohlräume auf, die im Bereich des ebenfalls nicht näher dargestellten Zylinderblockes und Zylinderkopfes angeordnet sind. Diese werden im Betrieb der Brennkraftmaschine vom Kühlmittel durchströmt. Die Umwälzung des Kühlmittels erfolgt durch eine Kühlmittelpumpe 8, die in diesem Ausführungsbeispiel saugseitig mit einem an sich bekannten Thermostatventil 9 verbunden ist. Durch dieses Thermostatventil 9 wird in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Kühlmittels die Verbindung zwischen Kühlmittelpumpe 8 und Gehäuse 7 der Brennkraftmaschine zu einem Kühler 10 (Wärmetauscher) freigegeben bzw. gesperrt. Unterhalb einer vorgegebenen Öffnungstemperatur des Thermostatventils 9 wälzt die Kühlmittelpumpe 8 das Kühlmittel in einem Kurzschlußkreislauf um, bei dem die Hohlräume im Gehäuse 7 der Brennkraftmaschine und ein Heizungswärmetauscher 11 durchströmt werden, ohne daß gleichzeitig der Kühler 10 durchströmt wird. Damit wird einerseits nur ein Teil des Kühlmittels umgewälzt, andererseits wird eine während der Aufwärmphase nicht gewünschte Abkühlung beim Durchströmen des Kühlers vermieden. Übersteigt die Betriebstemperatur des Kühlmittels die vorgegebene Öffnungstemperatur des Thermostatventils 9, wird die Verbindung der Kühlmittelpumpe 8 zum Kühler 10 geöffnet, so daß das gesamte Kühlmittel durch den Kühler 10 umgewälzt wird (Hauptkreislauf).

In beiden Kreisläufen ist die Saugseite der Kühlmittelpumpe 8 mit einem Ausgleichbehälter 12 verbunden, der als Speicher und Pufferbehälter für das Kühlmittel dient. Der Ausgleichbehälter 12 ist mit einem an sich bekannten Überdruckventil 13 versehen, das in Abhängigkeit vom Behälterinnendruck eine Verbindung zur Umgebung ermöglicht. Das sich oberhalb des Kühlmittelspiegels 14 im Ausgleichbehälter 12 befindliche Gas kann dadurch bei Überschreiten eines vorgegebenen Höchstdruckes entspannt werden. Mit dem Ausgleichbehälter sind zwei Entlüftungsleitungen 15 und 16 verbunden, von denen die Entlüftungsleitung 15 mit dem Kühler 10 der Brennkraftmaschine verbunden ist, während die Entlüftungsleitung 16 zu einer hochgelegenen Stelle des Gehäuses 7 der Brennkraftmaschine führt. Die Verbindung der Entlüftungsleitungen 15 und 16 zum Ausgleichbehälter 12 ist jeweils über ein Sperrventil 17 sperrbar.

Fig. 2 zeigt das nur teilweise dargestellte Gehäuse 18 des Ausgleichbehälters 12, dessen Oberseite eine Öffnung 19 aufweist, in die das Ventilgehäuse 20 des Sperrventils 17 eingesetzt ist. Das zylinderförmige Ventilgehäuse 20 des Sperrventils 17 ist mit seiner offenen Unterseite 21 in die Öffnung 19 des Gehäuses 18 eingesetzt und durch einen Dichtring 22 abgedichtet. Durch Einschrauben des Ventilgehäuses 20 in diese Öffnung 19, durch Verschrauben mittels zusätzlicher Schrauben am Gehäuse 18 des Ausgleichbehälters 12, durch Rastmittel oder ähnliche Befestigungsmittel ist das Sperrventil 17 lösbar am Ausgleichbehälter 12 befestigt. Oberhalb des Ausgleichbehälters 12 münden in das Innere des Ventilgehäuses 20 zwei Entlüftungsanschlüsse 23, 24, von denen der Entlüftungsanschluß 23 mit der Entlüftungsleitung 15 und der Entlüftungsanschluß 24 mit der Entlüftungsleitung 16 verbunden ist.

Im Inneren des zylindrischen Ventilgehäuses 20 ist ein kolbenförmiges Ventilglied 25 axial beweglich geführt, dessen Stirnseite 26 vom Druck p im Inneren des Ausgleichbehälters 12 beaufschlagt ist. An der gegenüberliegenden Innenseite des Ventilgliedes 25 stützt sich das eine Ende einer Druckfeder 27 ab, deren anderes Ende an einer Stirnseite 28 des Ventilgehäuses 20 anliegt. Das Ventilglied 25 weist weiterhin auf der dem Ausgleichbehälter 12 abgewandten Seite einen Zapfen 29 auf, der von der Druckfeder 27 umfaßt wird und die Stirnseite 28 des Ventilgehäuses 20 durchdringt. Außerhalb des Ventilgehäuses 20 wird dieser Zapfen 29 von einer Scheibe 30 umfaßt, die in der in Fig. 2 dargestellten Endstellung des Ventilgliedes 25 als Endanschlag an der Außenseite des Ventilgehäuses 20 anliegt. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltstellung des Sperrventils 17 befindet sich das Ventilglied 25 in seiner unteren Endstellung bzw. der Schließstellung. In dieser Schaltstellung sind die beiden Entlüftungsanschlüsse 23 und 24 durch das Ventilglied 25 einseitig verschlossen, d. h. es besteht keine Verbindung der Entlüftungsleitungen 15 und 16 zum Ausgleichbehälter 12. Übersteigt der Innendruck im Ausgleichbehälter 12 aufgrund der temperaturabhängigen Volumenzunahme des Kühlmittels einen durch die Vorspannung der Druckfeder 27 vorgegebenen Öffnungsdruck, wird das Ventilglied 25 gegen die Wirkung der Druckfeder 27 angehoben, so daß die Verbindung der Entlüftungsanschlüsse 23 und 24 und damit der Entlüftungsleitungen 15 und 16 zum Ausgleichbehälter 12 freigegeben wird.

Beim Kaltstart der Brennkraftmaschine ist das Kühlmittelniveau/Kühlmittelvolumen im Ausgleichbehälter niedrig und der Behälterinnendruck entspricht dem Umgebungsdruck. Bei Volumenzunahme des Kühlmittels infolge der Erwärmung steigt der Kühlmittelspiegel im Ausgleichbehälter und damit dessen Innendruck. Übersteigt der Innendruck einen vorgegebenen Maximaldruck, öffnet das Überdruckventil zur Umgebung, und das im Ausgleichbehälter befindliche Gas kann entweichen, so daß der Druck absinkt. Die Druckdifferenz zwischen Behälterinnendruck und Umgebungsdruck wirkt auf das Ventilglied bzw. den Kolben, der andererseits durch die Wirkung der Feder beaufschlagt ist. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Öffnungsdruckes wird das Ventilglied verschoben und die Entlüftungsanschlüsse werden freigegeben. Die Druckfeder ist so ausgelegt, daß ihre Vorspannung gerade ausreicht, um bei Abkühlung des Kühlmittels das Ventilglied gegen die Reibung der Dichtung wieder in seine Ausgangsstellung zurückzubewegen. Es ist jedoch auch möglich, über entsprechende Auslegung des Federelementes eine höhere Öffnungskraft und damit eine höhere Öffnungstemperatur/einen höheren Öffnungsdruck vorzugeben.

Bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform des Sperrventils 17A hat das Gehäuse 18A des Ausgleichbehälters 12 an seiner Außenseite zwei konzentrisch umlaufende, ringförmige Stege 31, 32. Zwischen dem äußeren Steg 31 und dem inneren Steg 32 ist das Gehäuse 18A von mehreren Öffnungen 33 durchsetzt, die mit dem Innenraum des Ausgleichbehälters 12 verbunden sind. Die Verbindung über eine einzelne Öffnung wäre ebenfalls möglich. In dem durch den inneren ringförmigen Steg 32 begrenzten Behälterabschnitt 34 verlaufen zwei getrennte Kanäle 35, 36, die - auf nicht näher dargestellte Weise und nur gestrichelt angedeutet - abgedichtet bis zur Außenseite des Gehäuses 18A geführt sind und dort mit den Entlüftungsleitungen 15 und 16 verbunden sind. Auf die beiden konzentrischen Stege 31 und 32 ist ein Ventilgehäuseunterteil 37 aufgesetzt, das wiederum von einem Ventilgehäuseoberteil 38 abgedeckt ist.

Das Ventilgehäuseunterteil 37 besteht aus einem äußeren Ring 39, der den äußeren Steg 31 des Gehäuses 18A übergreift und umfaßt und mit diesem verschraubt ist. Mit diesem Ring 39 ist ein innerer Ring 40 verbunden, der den inneren ringförmigen Steg 32 übergreift und umfaßt. Der Ring 40 weist zwei durchgehende Öffnungen 41, 42 auf, die mit den Kanälen 35 und 36 des Gehäuses 18A verbunden sind. Zwischen den beiden Ringen 39 und 40 weist das Ventilgehäuseunterteil 37 mehrere Durchgänge 43 auf, die mit dem Ringraum 44 zwischen dem inneren und äußeren Steg 31, 32 des Gehäuses 18A verbunden sind. Auch hier ist die Verbindung über einen einzelnen Durchgang ebenfalls möglich.

Zwischen dem Ventilgehäuseoberteil 38 und dem Ventilgehäuseunterteil 37 ist eine Rollmembran 45 eingespannt, die unter der Wirkung eines federbelasteten Kolbens 46 auf der als Dichtfläche ausgebildeten Stirnfläche 47 des inneren Ringes 40 aufliegt und so die Öffnungen 41, 42 und damit die Kanäle 35, 36 einseitig verschließt. Der becherförmige Kolben 46 liegt dazu mit seinem Boden 48 an der Innenseite 49 der Rollmembran 45 an und hat eine umfangsseitig umlaufende Ringnut 50, in die ein umlaufender Ring 51 der Rollmembran 45 eingreift. Der Kolben hat weiterhin einen Zapfen 52, der im Ventilgehäuseoberteil 38 geführt ist und dieses durchdringt. Der Zapfen 52 wird von einer Druckfeder 53 umfaßt, die sich einerseits am Boden 48 des Kolbens 46 und andererseits am Ventilgehäuseoberteil 38 abstützt.

Der Innendruck des Ausgleichbehälters wirkt in diesem Ausführungsbeispiel nicht auf den Kolben sondern über die Öffnungen 33, den Ringraum 44 und die Durchgänge 43 auf den äußeren Bereich der Rollmembran 45, während der innere Bereich der Rollmembran die Entlüftungsabschlüsse 41, 42; 35, 36 verschließt bzw. öffnet.

An dem Zapfen 52 ist außerhalb des Ventilgehäuseoberteils 38 ein schwenkbares Bügelelement 54 befestigt, mit dem der Kolben 46 und damit die Rollmembran 45 unabhängig vom Druck im Ausgleichbehälter 12 manuell angehoben werden können. Das Bügelelement 54 hat zwei Schwenkstellungen (durchgezogen bzw. gestrichelt dargestellt), wobei in der gestrichelt dargestellten Schwenkstellung der Kolben 46 in einer Position festgehalten ist, in der das Sperrventil geöffnet ist.

Claims (11)

1. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine mit Kühlmittel, das Hohlräume im Gehäuse (7) dieser Brennkraftmaschine durchströmt, mit einer Kühlmittelpumpe (8), einem Thermostatventil (9) zur Umschaltung zwischen einem Hauptkreislauf und einem Kurzschlußkreislauf, einem Kühler (10), einem Ausgleichbehälter (12) mit einem Überdruckventil (13) und mindestens einer in den Ausgleichbehälter mündenden Entlüftungsleitung (15, 16), dadurch gekennzeichnet, daß in der Entlüftungsleitung ein Sperrventil (17, 17A) angeordnet ist, mit dem die Verbindung zum Ausgleichbehälter sperrbar ist.

2. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (17; 17A) in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des Kühlmittels betätigt wird.

3. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (17; 17A) in Abhängigkeit vom Druck im Ausgleichbehälter (12) betätigt wird.

4. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (17; 17A) am Ausgleichbehälter (12) angeordnet ist und ein Ventilglied (25; 45, 46) hat, daß durch eine vom Druck im Ausgleichbehälter (12) beaufschlagte Stelleinheit (25; 46) betätigt ist.

5. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (25) als druckbeaufschlagbarer Kolben ausgebildet ist.

6. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied mit einer druckbeaufschlagten Membran (45) verbunden ist.

7. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (25; 45, 46) gegen die Wirkung einer Feder (27; 53) vom Druck im Ausgleichbehälter (12) beaufschlagt ist.

8. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (25; 45, 46) mit mindestens zwei Entlüftungsleitungen (15, 16) zusammenwirkt, von denen eine mit dem Kühler (10) und die andere mit einem der Hohlräume im Gehäuse (7) der Brennkraftmaschine verbunden ist.

9. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrventil (17; 17A) lösbar am Ausgleichbehälter (12) befestigt ist.

10. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (25; 45, 46) unabhängig vom Druck im Ausgleichbehälter (12) manuell betätigbar ist.

11. Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (25; 45, 46) einen das Ventilgehäuse (20; 38) durchdringenden, von außen zugänglichen Zapfen (29; 52) aufweist.