DE3603897C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verdampfungskühlsystem für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verdampfungskühlsystem ist in der gemäß § 3 Abs. 2 Nr. 2 PatG zum Stand der Technik zu zählenden EP-OS 01 53 730 beschrieben.

Diese Druckschrift beschreibt ein Kühlsystem für die Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, das einen Verdampfungskühlkreislauf mit einem Radiator enthält, in welchem der im Kühlmantel erzeugte Kühlmitteldampf rekondensiert wird, und das weiterhin einen Fahrgastraum-Heizkreis aufweist, durch den der Wärmeträger im flüssigen Zustand zirkuliert wird.

In der DE-OS 34 11 951 und in der EP-OS 01 76 985 sind Verdampfungskühlsysteme für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen beschrieben, bei denen der Fahrgastraum-Heizkreis mit dampfförmigem Wärmeträger betrieben wird, wobei das in dem Fahrgastraum-Wärmetauscher erzeugte Kondensat gemäß der DE-OS 34 11 951 von der Rückführpumpe in den Kühlmantel der Brennkraftmaschine rückgepumpt wird, die auch das im Radiator erzeugte Kondensat in den Kühlmantel rückpumpt und gemäß der EP-OS 01 76 985 für den Fahrgastraum-Heizkreis eine eigene Rückführpumpe für das im Fahrgastraum-Wärmetauscher erzeugte Kondensat vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, daß der Betrieb eines Fahrgastraum-Wärmetauschers mit dampfförmigem Wärmeträger besondere Schwierigkeiten aufwirft, weshalb die Erfindung von dem Stand der Technik gemäß der EP-OS 01 53 730 ausgeht, gemäß welchem der Fahrgastraum-Heizkreis mit flüssigem Wärmeträger betrieben wird.

Wegen der hohen Wärmemengen, die von einer verhältnismäßig kleinen Wärmeträgermenge transportiert werden müssen, ist das Kühlsystem auf Ausfälle der Wärme- oder Kühlmittelrückführpumpe besonders anfällig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verdampfungskühlsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, das gegen einen Ausfall der Kühlmittelrückführpumpe im Radiator-Kühlkreislauf gesichert ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Umwälzpumpe im Warmwasserheizkreis für den Fahrgastraum im Falle eines Ausfalls der Rückführpumpe im Radiator-Kühlkreislauf eingesetzt wird, einen Mindestpegel an flüssigem Kühlmittel im Kühlmantel der Brennkraftmaschine aufrechtzuerhalten, um diese gegen Überhitzung zu schützen. Zu diesem Zweck sind der Radiator-Kühlkreislauf und der Warmwasserheizkreis des Fahrgastraumes über den Vorratsbehälter, eine Verbindungsleitung und ein steuerbares Ventil miteinander verbunden, wobei das steuerbare Ventil diese Verbindung wirksam macht, wenn ein Ausfall der Rückführpumpe im Radiator-Kühlkreislauf auftreten sollte. Das im Radiator erzeugte Kondensat wird dann nicht über die Rückführleitung, sondern über das genannte Ventil, die Verbindungsleitung und die Umwälzpumpe des Warmwasserheizkreises des Fahrgastraums in den Kühlmantel der Brennkraftmaschine rückgeführt.

Ein Verfahren zum Kühlen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei ein flüssiger Wärmeträger von der Abwärme der Brennkraftmaschine verdampft und in einem Radiator rekondensiert wird und das Kondensat zur Brennkraftmaschine von einer Kondensatpumpe rückgepumpt wird, und zur Erwärmung des Fahrgastraums eine Teilmenge des Wärmeträgers in flüssigem Zustand durch einen Wärmetauscher geführt und mittels einer Umwälzpumpe zur Brennkraftmaschine rückgepumpt wird und das gegen einen Ausfall der Kondensatpumpe gesichert ist, wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 7 enthaltenen Merkmale definiert. Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der davon abhängigen Ansprüche.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Maschinenkühlsystem nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Maschinenkühlsystem nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 3 ein Maschinenkühlsystem nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 der Zeichnungen zeigt ein Maschinensystem, bei dem eine erste Ausführungsform der Erfindung angewandt ist. Bei dieser Anordnung besteht eine Brennkraftmaschi­ ne 200 aus einem Zylinderblock 204, an welchem ein Zy­ linderkopf 206 abnehmbar befestigt ist. Der Zylinderkopf und der Zylinderblock sind in geeigneter Weise mit Hohl­ räumen versehen, die einen Kühlmantel 208 um den Aufbau der Maschine, der einen hohen Wärmefluß entwickelt, be­ stimmen, beispielsweise die Brennkammern, Auslaßventile, Abgaskanäle usw. Mit einem Dampfauslaßkanal 210, der im Zylinderkopf 206 angeordnet ist, ist über eine Dampfver­ zweigungsleitung 212 und eine Dampfleitung 214 ein Kon­ densator 216 oder Radiator verbunden, wie nachfolgend noch erläutert wird. Benachbart dem Radiator 216 ist ein selektiv antreibbarer elektrischer Ventilator 218 so an­ geordnet, daß er einen Kühlluftstrom über die Wärme­ tauschfläche des Radiators 216 bläst, wenn er in Betrieb gesetzt ist. Dieser Ventilator kann mit verschiedenen Geschwindigkeiten angetrieben werden.

Ein kleiner Sammelbehälter 220 oder unterer Tank, wie er später genannt wird, ist an der Unterseite des Radia­ tors 216 angeordnet und sammelt das darin erzeugte Kon­ densat. Vom unteren Tank 220 führt eine Kühlmittelrück­ führleitung 222 zu einem Kühlmitteleinlaßkanal 221 im Zylinderkopf 206. Eine elektrisch betriebene Pumpe 224 kleiner Leistung ist in dieser Leitung an einer Stelle dicht am Radiator 216 angeordnet.

Ein Kühlmittelvorratsbehälter 226 ist mit dem unteren Tank 220 über eine Zuführ-/Abführleitung 228 verbunden, in der ein elektromagnetisches Strömungssteuerventil 230 angeordnet ist. Dieses Ventil ist so gestaltet, daß es geschlossen ist, wenn der Elektromagnet erregt ist. Der Behälter 226 ist durch einen Deckel 232 verschlossen, in welchem eine Entlüftungsöffnung 234 ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, daß der Innenraum des Behälters 226 stets konstant unter Atmosphärendruck gehalten wird.

Die Dampfverzweigungsleitung 212 ist bei dieser Ausfüh­ rungsform mit einem Steiger 240 versehen. Dieser Stei­ ger 240 ist, wie dargestellt, durch einen Deckel 242 hermetisch abgeschlossen und weiterhin mit einem Aus­ blaskanal (ohne Bezugszeichen) versehen. Letzterer steht mit dem Behälter 226 über eine Überlaufleitung 246 in Verbindung.

Ein normalerweise geschlossenes elektromagnetisch be­ triebenes Ein/Aus-Ventil 248 ist in der Leitung 246 an­ geordnet und so ausgebildet, daß es nur dann offen ist, wenn es erregt ist. Mit dem Steiger 240 steht außerdem eine Schalteranordnung 250 in Verbindung, die von einer auf eine Druckdifferenz ansprechende Membran betätigt wird und einen offenen Zustand annimmt, wenn der in dem Kühlmittelkreislauf herrschende Druck (das ist der Kreislauf aus Kühlmantel 208, Dampfverzweigungslei­ tung 212, Dampfleitung 214, Radiator 216 und Rückführ­ leitung 222) um ein vorbestimmtes Ausmaß unter den At­ mosphärendruck fällt. Bei dieser Ausführungsform ist der Drucksensor 250 (wie er nachfolgend der Einfachheit hal­ ber genannt wird) so ausgebildet, daß er öffnet, wenn der Druck in dem Kühlmittelkreis auf einen Pegel in der Größenordnung von -4 bis -6,7 kPa fällt.

Um den Pegel des Kühlmittels in dem Kühlmantel zu re­ geln, ist, wie dargestellt, ein Pegelsensor 252 vorgese­ hen. Es sei betont, daß dieser Sensor 252 in einem Hö­ henniveau (H 1) angeordnet ist, das höher ist, als jenes der Brennkammern, der Auslaßkanäle und der Ventile, d. h. der den hohen Wärmefluß entwickelnden Elemente, um jene mit Sicherheit von flüssigem Kühlmittel zu umgeben und daher das Maschinenklopfen und dergleichen, das durch die Ausbildung örtlicher Zonen abnorm hoher Temperatur oder von "Hitzepunkten" entstehen könnte.

Unterhalb dem Pegelsensor 252 ist ein Temperatursensor 254 angeordnet, damit dieser in das Kühlmittel einge­ taucht ist. Der Ausgang des Pegelsensors 252 und der des Temperatursensors 254 sind einem Regelkreis 256 oder Modulator zugeführt, der in geeigneter Weise mit einer elektrischen Energiequelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Es sei betont, daß es möglich ist, einen Drucksensor anstelle eines Temperatursensors einzuset­ zen. Drucksensoren sind jedoch gewöhnlich teurer und sprechen auch auf vorübergehende Druckschwankungen an, die in dem Kühlmantel auftreten. Durch Eintauchen des Temperatursensors in das Kühlmittel ist es möglich, einen stabilen und zuverlässigen Temperaturmeßwert zu erhalten.

Der Regelkreis 256 empfängt fernerhin ein Eingangssignal vom Maschinenverteiler 258 (oder einer geeigneten Vor­ richtung), der ein Signal abgibt, das für die Maschinen­ drehzahl repräsentativ ist, und ein Eingangssignal von einem Lastsensor 260, der beispielsweise ein Drossel­ klappenstellungssensor sein kann. Es sei bemerkt, daß alternativ zur Drosselklappenstellung der Ausgang eines Luftströmungsmessers, ein Ansaugunterdrucksensor oder die Impulsbreite des Kraftstoffeinspritzsteuersignals als dasjenige Signal verwendet werden können, das die Maschinenbelastung angibt. Im Falle, daß es sich um eine Einspritzmaschine handelt, ist es auch möglich, die Fre­ quenz des Kraftstoffeinspritzsignals als Maß für die Ma­ schinendrehzahl und die Impulsbreite dieses Signals als Maß für die Maschinenbelastung zu verwenden.

Ein zweiter Pegelsensor 262 ist in dem unteren Tank 220 in einem Höhenniveau H 2 angeordnet. Der Zweck dieses Sensors wird nachfolgend klar, wenn die Betriebsweise der Ausführungsformen erläutert wird. Unter dem Ge­ sichtspunkt der Sicherheit ist es vorteilhaft, die Pe­ gelsensoren 252 und 262 so zu gestalten, daß sie den Einschaltzustand einnehmen, wenn die Pegel oberhalb H 1 bzw. H 2 liegen. Wenn bei einer solchen Gestaltung einer der Pegelsensoren ausfällt, dann besteht eher die Nei­ gung dazu, daß das System mit Kühlflüssigkeit überfüllt wird, anstelle daß das Umgekehrte geschieht, indem die Ausschaltanzeige geliefert wird.

Von einem Abschnitt des Kühlmantels 208, der im Zylin­ derkopf 206 ausgebildet ist, zu einem Heizgerät 270, das dem Passagierraum des Fahrzeugs (kein Bezugszeichen), in welchem die Maschine 200 montiert ist, führt eine Heiß­ wasserzulaufleitung 272. Von dem Heizgerät 270 zu einem Abschnitt des Kühlmantels 208, der im Zylinderblock 204 ausgebildet ist, führt eine Heißwasserrücklaufleitung 274. Eine Kühlmittelumwälzpumpe 276 ist in dieser Lei­ tung angeordnet und erzeugt eine Kühlmittelströmung durch den Heizkreislauf (Einlaßleitung 272, Heizgerät 270 und Rücklaufleitung 274), wenn sie in Betrieb ge­ setzt ist. Ein Dreiwegeventil 278 ist in der Rücklauf­ leitung 274 an einer Stelle zwischen der Pumpe 276 und dem Heizgerät 270 angeordnet. Von dem Dreiwegeventil 278 zu dem Behälter 226 erstreckt sich eine Kühlmittelein­ laßleitung 280. Das Dreiwegeventil 278 ist so eingerich­ tet, daß es eine erste Stellung hat, in der eine Fluid­ verbindung zwischen dem Heizgerät 270 und der Umwälz­ pumpe 276 eingerichtet ist (Strömungsweg A), und eine zweite Stellung, in der diese Verbindung unterbrochen und eine Verbindung zwischen dem Behälter 226 und der Umwälzpumpe 276 eingerichtet ist. In dieser zweiten Stellung wird beim Erregen der Umwälzpumpe 276 Kühlmit­ tel von dem Vorratsbehälter 226 zugeführt und in den Kühlmantel 208 gepumpt.

Um bei dieser Ausführungsform ein schnelles Erwärmen der Passagierkabine zu erreichen, ist der Heizkreislauf so ausgestaltet, daß er das hoch erhitzte Kühlmittel von einem Ort zuleitet, der nahe den hoch erhitzten Elemen­ ten von Zylinderkopf, Auslaßkanälen und Auslaßventilen liegt.

Übersicht über den Betrieb

Vor Gebrauch wird der Kühlkreislauf randvoll mit Kühl­ mittel gefüllt, das beispielsweise Wasser oder eine Mi­ schung aus Wasser und einem Frostschutzmittel oder der­ gleichen sein kann. Sodann wird der Deckel 242 fest an­ gebracht, um das System abzuschließen. Eine geeignete Menge eines zusätzlichen Kühlmittels wird ebenfalls in den Vorratsbehälter 226 eingefüllt. Zu diesem Zeitpunkt sollte das elektromagnetische Ventil 230 vorübergehend erregt werden, damit es eine geschlossene Stellung ein­ nimmt. Alternativ und/oder in Kombination mit dem Obigen ist es auch möglich, Kühlmittel in den Vorratsbehälter 226 einzufüllen und das Ventil 278 manuell so zu erre­ gen, daß ein Strömungsweg B eingerichtet wird, während gleichzeitig die Pumpe 224 angetrieben wird, um Kühl­ mittel aus dem Vorratsbehälter 226 über die Leitung 280 und die Pumpe in den unteren Tank 220 einzuleiten, bis das Kühlmittel sichtbar aus dem offenen Steiger 240 austritt. Durch Befestigen des Deckels 242 an seinem Platz zu diesem Zeitpunkt kann man das System in einem vollständig gefüllten Zustand abschließen.

Um dieses Befüllen und den nachfolgenden Service des Sy­ stems zu erleichtern, kann ein manuell betätigbarer Schalter vorgesehen werden, der es erlaubt, die obigen Vorgänge von "unter der Haube" aus auszuführen und ohne die Maschine in Betrieb setzen zu müssen.

Wenn die Maschine gestartet wird, wenn der Kühlmantel 208 vollständig mit stehendem Kühlmittel gefüllt ist, dann kann die durch die Verbrennung in den Brennkammern entwickelte Wärme nicht sogleich durch den Radiator 216 an die Umgebungsatmosphäre abgegeben werden und das Kühlmittel erwärmt sich rasch und beginnt, Kühldampf zu entwickeln. Zu dieser Zeit ist das Ventil 230 in entreg­ tem Zustand (offen) belassen, wodurch der Druck des Kühldampfes beginnt, das flüssige Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf (aus Kühlmantel 208, Dampfverzweigungs­ leitung 212, Dampfleitung 214, Radiator 216, unterer Tank 220 und Rückführleitung 222) in den Vorratsbehälter 226 zu verdrängen.

Während dieses "Kühlmittelverdrängungsbetriebes" kann eine von zwei Situationen auftreten. D. h., es ist mög­ lich, daß der Pegel des Kühlmittels im Kühlmantel 208 auf das Höhenniveau H 1 abfällt, bevor der Pegel im Ra­ diator 216 das Höhenniveau H 2 erreicht, oder umgekehrt, d. h., daß der Radiator 216 auf das Höhenniveau H 2 ent­ leert wird, bevor von dem Kühlmittel im Kühlmantel 208 viel verdrängt ist. Im Falle, daß letzteres auftritt (d. h., daß der Kühlmittelpegel im Radiator unter das Höhenniveau H 2 fällt, bevor das Kühlmittel im Kühlman­ tel das Höhenniveau H 1 erreicht), wird das Ventil 230 vorübergehend geschlossen und eine Menge des überschüs­ sigen Kühlmittels im Kühlmantel 208 kann über den Radia­ tor 216 "destillieren", bevor das Ventil 230 wieder ge­ öffnet wird. Wenn alternativ das Höhenniveau H 1 zuerst erreicht wird, dann bewirkt der Pegelsensor 252 die In­ betriebsetzung der Pumpe 224, und Kühlmittel wird aus dem unteren Tank 220 in den Kühlmantel gepumpt, während es gleichzeitig durch die Leitung 228 in den Behälter 226 verdrängt wird.

Die Belastung und andere Betriebsparameter der Maschine (d. h. die Ausgänge der Sensoren 258 und 260) werden ab­ getastet und es wird eine Entscheidung bezüglich der Temperatur (Solltemperatur) getroffen, auf die das Kühl­ mittel geregelt werden sollte, damit es siedet. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, bevor die Menge des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf auf ihren minimal zu­ lässigen Wert vermindert worden ist (d. h. wenn das Kühl­ mittel in dem Kühlmantel 208 und in dem Radiator 216 auf den Höhenniveaus H 1 bzw. H 2 sind), dann ist es möglich, das Ventil 230 zu erregen, so daß es einen geschlossenen Zustand einnimmt und den Kühlkreislauf in einen herme­ tisch geschlossenen Zustand versetzt. Es sei jedoch be­ tont, daß die Verdrängung des Kühlmittels aus dem Kreis­ lauf beendet wird, um eine mögliche Verknappung des Kühlmittels in dem Kühlmantel 208 zu verhindern, sobald das Kühlmittel in dem Kreislauf auf den Minimumpegel vermindert ist (d. h., wenn die Pegel in dem Kühlmantel 208 und dem unteren Tank 220 die Höhenniveaus H 1 bzw. H 2 einnehmen).

Wenn die Temperatur, bei welcher das Kühlmittel siedet, den Wert überschreiten sollte, der als der optimale Wert für die augenblicklich eingestellten Maschinenbetriebs­ bedingungen bestimmt ist, wird der Ventilator 218 in Be­ trieb gesetzt. Wenn diese Maßnahme den Siedepunkt nicht unter Kontrolle bringen kann, dann ist es im Falle, daß der Pegel des flüssigen Kühlmittels im Radiator 216 noch immer oberhalb H 2 ist und der Druck im Kühlkreislauf nicht unter-atmosphärisch ist, möglich, das Ventil 230 kurz zu öffnen und eine Kühlmittelmenge unter dem Ein­ fluß des Drucks im Kühlkreislauf aus diesem in den Vorratsbehälter 226 zu verdrängen. Dies vermindert das flüssige Kühlmittelvolumen im Kühlkreislauf und stei­ gert die dem Kühldampf zur Abgabe seiner latenten Ver­ dampfungswärme im Radiator 216 verfügbare Oberfläche.

Sollten andererseits die Umgebungsbedingungen oder der­ gleichen (z. B. sehr kaltes Wasser, verlängertes Bergab­ fahren usw.) die Situation hervorrufen, bei der die Kon­ densationsrate im Radiator 216 übergroß wird und der Druck herabgesetzt wird, so daß der Siedepunkt des Kühl­ mittels unter den erforderlichen fällt, und wenn die Be­ endigung des Ventilatorbetriebs nicht ausreicht, um die Kondensationsrate auf ein geeignetes Maß herabzusetzen, dann ist es möglich, das Ventil 230 kurz zu öffnen und es dem herrschenden unter-atmosphärischen Druck zu er­ lauben, eine Kühlmittelmenge aus dem Behälter 226 einzu­ leiten, so daß die im unteren Tank 220 vorhandene Kühl­ flüssigkeit vermehrt, der Druck im System gegen den at­ mosphärischen Druck angehoben und die trockene Oberflä­ che des Radiators 216, die für die Abgabe der latenten Wärme zur Verfügung steht, vermindert wird.

Wenn während des Maschinenbetriebes ermittelt wird, daß die Kühlmittelrückführpumpe 224 für zu lange Zeitperio­ den betrieben wird, beispielsweise mehr als zehn Sekun­ den, dann ist es möglich, daß das Kühlmittel und das System auf den Punkt aufgeheizt worden sind, daß die Pumpe leerläuft und der lebensnotwendige Kühlmittelpe­ gel (H 1) im Kühlmantel 208 nicht in geeigneter Weise aufrechterhalten ist. Unter diesen Umständen ist es ge­ mäß der vorliegenden Erfindung möglich, das Dreiwege­ ventil 278 in einen solchen Zustand zu bringen, daß ein Strömungsweg B eingerichtet ist, und die Kühlmittelum­ wälzpumpe 276 so zu betreiben, daß frisches kühles Kühl­ mittel in den Kühlmantel 208 so lange gepumpt wird, bis der Pegelsensor 252 anzeigt, daß der Kühlmittelpegel in geeigneter Weise wieder aufgefüllt worden ist. Die Ein­ leitung von relativ kühlem Kühlmittel in dieser Weise unterdrückt sehr wirksam jede Tendenz zum Auftreten einer "Kavitation" im Kühlmantel. Das diese Betriebsart jedoch die Kühlmittelmenge im Kühlkreislauf steigert, neigen auch der Druck und daher der Siedepunkt des Kühl­ mittels zum Steigen. Um dies zu kompensieren, ist es möglich, die Entstehung eines leicht unter-atmosphäri­ schen Drucks abzuwarten und das Ventil 230 kurz zu öff­ nen. Dies erlaubt die Verdrängung von Kühlmittel aus dem Behälter zurück unter dem Einfluß der so entwickelten Druckdifferenz.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, den Kühlventilator mit unterschiedlichen Leistungen zu be­ treiben. Es ist daher möglich, den Ventilator 218 mit einer hohen Leistung zu betreiben und eine Kühlmittel­ geschwindigkeit zu erzeugen, die einen negativen Druck im Kühlkreislauf hervorruft. Zu diesem Zeitpunkt erlaubt ein kurzes Öffnen des Ventils 230 die Einführung von kühlem Kühlmittel aus dem Behälter 226 in den unteren Tank 220. Dies vermindert, wie zuvor erläutert, den ne­ gativen Druck und die trockene Fläche des Radiators. Es senkt auch die Temperatur des Kühlmittels im unteren Tank 220 in einer Weise, die die Tendenz, daß die Kühl­ mittelrückführpumpe 224 trockenläuft, vermindert. Eine nachfolgende Verdrängung von Kühlmittel unter dem Ein­ fluß eines leicht über-atmosphärischen Drucks erlaubt es, daß die Kühlmittelmenge im Kühlkreislauf wieder ein­ geregelt wird.

Der oben beschriebene Pumpzyklus Ein-Verdrängung-Einlei­ ten-Verdrängung erlaubt es, daß die Wärmemenge, die in dem Kühlkreislauf enthalten ist, herabgesetzt und teil­ weise auf das Kühlmittel im Behälter 226 übertragen wird.

Wenn die Notwendigkeit der Verwendung der Pumpe 276 an­ stelle der Kühlmittelrückführpumpe 224 für einige Zeit anhält, dann ist es möglich, ein Warnsignal abzugeben, das anzeigt, daß eine Systemfehlfunktion auftritt, die wahrscheinlich keine Kavitation ist, und daß die Kühl­ mittelrückführpumpe 224 aufgrund eines mechanischen Ausfalls oder dergleichen wahrscheinlich eine Fehlfunk­ tion aufweist.

Wenn die Maschine angehalten wird, dann ist es vorteil­ haft, das System in geschlossenem Kreislaufzustand auf­ rechtzuerhalten, solange wie das Sieden des Kühlmittels aufgrund der in der Maschine und der zugehörigen Teile angesammelten Wärme anhält und ein Kühlmittelverlust aufgrund heftiger Verdrängung von Kühlmittel aus dem Kühlsystem zum Vorratsbehälter 226 unter dem Einfluß von unter-atmosphärischem Druck nicht auftritt. Diese Abkühlregelung kann man erreichen, indem man freiwillig die "Soll"-Temperatur, auf die das Kühlmittel geregelt werden sollte, auf einen relativ niedrigen Wert, wie beispielsweise 85° C festsetzt.

Wenn sich das System ausreichend abgekühlt hat, dann kann es völlig aberregt werden und darf den Zustand eines offenen Kreises annehmen. Wenn unter diesen Bedin­ gungen der Kühldampf in dem Kühlkreislauf kondensiert, dann wird Kühlmittel aus dem Behälter 226 über die Lei­ tung 228 unter dem Einfluß der Druckdifferenz gedrückt, die sich in natürlicher Weise dazwischen entwickelt, bis der Kühlkreislauf vollständig gefüllt ist oder die Druckdifferenz zwischen der Umgebungsatmosphäre und dem Innern des Systems Null geworden ist. In diesem Zustand besteht keine wesentliche Tendenz mehr, daß Luft in das System eindringt.

Bezüglich der erstgenannten Ausführungsform sei hervor­ gehoben, daß kein Ventil oder dergleichen Vorrichtung in der Kühlmittelrückführleitung 222 angeordnet ist, außer der Kühlmittelrückführpumpe 224. Dieses Merkmal ist in­ sofern vorteilhaft, als der Strömungswiderstand der Lei­ tung 222 aufgrund des Fehlens von Dreiwegeventilen und dergleichen niedrig ist, was die Möglichkeit, daß das Pumpenkavitationsphänomen auftritt, merklich reduziert.

Wenn die Maschine wieder in Betrieb gesetzt wird, dann wird die Temperatur des Maschinenkühlmittels geprüft, um sicherzustellen, daß das System im wesentlichen frei von störender Luft bleibt, die, wenn man sie in den Radia­ tor 216 eintreten lassen wollte, eine merkliche Vermin­ derung im Wärmetauschvermögen desselben hervorrufen wür­ de. Im Falle, daß die Maschinenkühlmitteltemperatur sich auf unter 45° C abgekühlt hat, wird ein sogenanntes Aus­ blasen nicht kondensierbarer Materie ausgeführt, wobei das Dreiwegeventil 278 in einen Zustand gebracht wird, in welchem es einen Strömungsweg B einrichtet, das Ven­ til 248 wird in einen geöffneten Zustand gebracht, das Ventil 230 wird geschlossen und die Umwälzpumpe 276 wird erregt. Unter diesen Bedingungen wird Kühlmittel aus dem Vorratsbehälter 226 eingeleitet und in den Kühlkreislauf gepumpt. Wenn der Kreislauf im wesentlichen mit Kühlmit­ tel dieser Temperatur gefüllt sein sollte, dann läuft, wenn Kühlmittel zwangsweise in den Kühlkreislauf ge­ drückt wird, der Überschuß zurück über die Überlauflei­ tung 246 in den Behälter 226 und nimmt jegliche Luft oder dergleichen mit sich mit, die sich möglicherweise in dem System angesammelt hat. Die Erregung der Pumpe 276 kann für einige Sekunden bis einige zehn Sekunden aufrechterhalten werden, je nach den herrschenden Um­ ständen. Unter normalen Umständen sind zehn Sekunden ausreichend, um sicherzustellen, daß das System frei von Luft oder dergleichen bleibt.

Wenn jedoch die Maschine wieder in Betrieb gesetzt wird und die Temperatur des Kühlmittels ist 45° C oder mehr (d. h., wenn die Maschine noch warm ist), dann wird an­ genommen, daß ungenügend Zeit verstrichen ist, daß seit dem letzten Maschinenbetrieb eine wesentliche Luftmenge oder dergleichen nicht kondensierbarer Materie in das System eingedrungen sein könnte, und der Ausblasvorgang wird überbrückt. Dies beschleunigt den Aufwärmvorgang der Maschine, indem verhindert wird, daß unnötigerweise ein relativ kühles Kühlmittel in den Kühlmantel 208 ge­ pumpt wird.

Es sei hervorgehoben, daß es innerhalb des Schutzberei­ ches der vorliegenden Erfindung liegt, die Zeit zu vari­ ieren, für die der Ausblasvorgang in Abhängigkeit von solchen Faktoren, wie Umgebungstemperatur und derglei­ chen ausgeführt wird. Beispielsweise neigt in sehr kal­ ten Klimata der Radiator 216 dazu, teilweise mit flüs­ sigem Kühlmittel gefüllt zu werden, und die Anwesenheit von gewisser "verunreinigender" Luft ist nicht merklich störend. Im Falle, daß eine zu hohe Temperatur auf­ tritt, ist es möglich, ein "heißes Ausblasen" auszufüh­ ren, bei welchem das Ventil 230 vorübergehend geöffnet wird, um es Kühldampf zu erlauben, durch den Radiator nach unten zu strömen und über die Leitung 228 zum Be­ hälter 226 zu entweichen. Dies spült jegliche, im Ra­ diator 216 gefangene Luft hinweg. Wenn der Dampf durch das Kühlmittel im Behälter 226 perlt, dann tritt eine Art "Wasserdampffalle" auf, die den Dampf kondensiert und jeglichen beachtlichen Verlust von Kühlmittel an die Umgebungsatmosphäre verhindert.

Als eine Sicherheitsmaßnahme ist es möglich, das Ventil 248 so zu gestalten, daß es selbst im nicht erregten Zu­ stand dem Überdruck erlaubt, automatisch durch das Ven­ til hindurch abgeleitet zu werden, sofern alle anderen Maßnahmen ausfallen. Diese Ausfallsicherheit kann man erreichen, indem man die Feder, die das Ventilelement in eine geschlossene Stellung vorspannt, so einstellt, daß sie das Element in geschlossenem Zustand hält, bis ein maximal zulässiger Druck in dem System herrscht.

Zweite Ausführungsform

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung. Diese Ausführungsform entspricht im we­ sentlichen jener nach Fig. 1, unterscheidet sich jedoch davon dadurch, daß das Dreiwegeventil 278 durch ein ein­ facheres Ein/Aus-Ventil 279 ersetzt ist. Indem eine Lei­ tung 280 unmittelbar oberhalb der Heizgerätumwälzpumpe 276 mit der Heizgerätrücklaufleitung 274 verbunden ist, wird im Betrieb der Pumpe 276 Kühlmittel hauptsächlich von der Leitung 280 zugeführt, so daß im wesentlichen dieselben Regelmerkmale möglich sind, wie bei der erst­ beschriebenen Ausführungsform.

Die übrigen Merkmale und die Betriebsweise dieser Aus­ führungsform sind im wesentlichen die gleiche wie jene in Fig. 1, so daß zur Verkürzung der Beschreibung die­ se nicht nochmals erläutert zu werden brauchen.

Dritte Ausführungsform

In dieser Ausführungsform enthalten das Ventil und die Leitung, die den Kühlkreislauf und den Heizgerätkreis­ lauf miteinander verbinden, ein weiteres Dreiwegeventil 290. Dieses Ventil ist, wie in Fig. 3 dargestellt, in der Kühlmittelrückführleitung 222 an einer Stelle zwi­ schen der Kühlmittelrückführpumpe 224 und dem Kühlman­ tel 208 angeordnet. Dieses Ventil ist so eingerichtet, daß es eine erste Stellung hat, in der eine Fluidver­ bindung zwischen der Rückführpumpe 224 und dem Behälter 226 über eine Verdrängungsleitung 292 eingerichtet ist (das ist der Strömungsweg A), und eine zweite Stellung hat, in der diese Verbindung unterbrochen und eine "normale" Verbindung zwischen der Kühlmittelrückführ­ pumpe 224 und dem Kühlmantel 208 eingerichtet ist (das ist der Strömungsweg B).

Bei dieser Ausführungsform ist der Heizgerätekreislauf so eingerichtet, daß die Zulaufleitung 272 mit einem Ab­ schnitt des Kühlmantels 208 in Verbindung steht, der im Zylinderblock 204 ausgebildet ist, und die Rücklauflei­ tung 274 steht mit einem Abschnitt des Kühlmantels 208 in Verbindung, der im Zylinderkopf 206 ausgebildet ist.

Wenn bei dieser Ausführungsform der Heizgerätekreislauf in Betrieb gesetzt wird, um die Fahrzeugkabine C aufzu­ heizen, dann ist das Kühlmittel, das in den Kühlmantel 208 rückgeführt wird, relativ kühl und hat einen wesent­ lichen Anteil seiner Wärme an die Kabine abgegeben und neigt daher dazu, die Heftigkeit des Stoßens und Über­ laufens, die das aktive Sieden des Kühlmittels in und um den Zylinderkopf und den zugehörigen Elementen, die einem hohen Wärmefluß ausgesetzt sind, zu dämpfen. Wenn das Dreiwegeventil 278 so eingestellt ist, daß es dem Kühlmittel erlaubt ist, vom Behälter 226 in den Kühlman­ tel 208 eingeleitet zu werden, dann hat die relativ küh­ le Temperatur dieser Flüssigkeit eine wirksamere Dämp­ fungswirkung und neigt dazu, jegliche Kavitation darin zu beseitigen.

Diese Ausführungsform enthält weiterhin das Merkmal, das nachfolgend als "Mischleitung" 294 bezeichnet werden soll, die von unmittelbar stromabwärts der Kühlmittel­ umwälzpumpe 276 zur Dampfverzweigungsleitung 212 führt. Wenn bei dieser Anordnung die Umwälzpumpe 276 in Betrieb gesetzt wird, dann wird ein Teil des Pumpenausgangs über die Mischleitung 294 der Dampfverzweigungsleitung 212 zugeführt und anschließend längs der Dampfübertragungs­ leitung 214 mit dem Kühldampf dem Radiator 216 zuge­ führt.

Die Menge des Kühlmittels, die durch die Mischleitung 294 übertragen werden kann, ist auf einen Betrag be­ grenzt, der die Vereinheitlichung der Frostschutzvertei­ lung innerhalb des Kühlkreislaufs begünstigt, aber das Innere des Radiators 216 nicht übermäßig benetzt.

Der Grund für diese Maßnahme liegt darin, daß die Kon­ zentration des Frostschutzmittels im Kühlmantel 208 da­ zu neigt anzusteigen, wenn der "destillations"-artige "Siede-Dampf-Kondensations"-Zyklus fortschreitet, der Kondensat am Boden des Radiators 216 und des unteren Tanks 220 niedrigerer Konzentration zurückläßt. Diese Verteilung des Frostschutzmittels begünstigt das Ein­ frieren des Kühlmittels im Radiator 216 und der zuge­ hörigen Leitungen, die dem Einfluß äußerer Kälte am mei­ sten ausgesetzt sind.

Um eine geeignete Regelung der Heizgerät-Umwälzpumpe 276 zu ermöglichen, ist ein Temperatursensor 296 in dem Ab­ laufkanal des Heizgeräts 270 angeordnet. Wenn die Kühl­ mitteltemperatur niedrig ist, dann wird hierdurch die Pumpe mit hoher Leistung betrieben, um sicherzustellen, daß die von dem Heizgerät 270 abgegebene Wärme maximal ist. Durch Herabsetzen der Pumpleistung bei steigender Temperatur werden Schwankungen in der Wärmeabgabe auf­ grund von Unterbrechungen der Kühlmittelströmung durch das Heizgerät 270 durch Einrichtung des Strömungsweges A mittels des Ventils 278 vermindert.

Claims (11)

1. Kühlsystem für die Brennkraftmaschine eines Kraft­ fahrzeugs mit

• A) einem Radiator-Kühlkreislauf, enthaltend:
  • a) einen Kühlmantel um die Brennkraftmaschine, in welchem ein flüssiges Kühlmittel zum Sieden ge­ bracht wird,
  • b) einen Radiator, der mit dem Kühlmantel verbunden ist und in dem der im Kühlmantel entwickelte Dampf rekondensiert wird,
  • c) eine Einrichtung zum Rückführen des Kondensats vom Radiator zum Kühlmantel derart, daß ein vorbe­ stimmter Kühlflüssigkeitspegel in dem Kühlmantel aufrechterhalten wird, enthaltend eine Konden­ satpumpe,
• B) einem Fahrgastraum-Warmwasserheizkreis, enthaltend:
  • d) eine Einlaßleitung, die von dem Kühlmantel zu einem Wärmetauscher führt,
  • e) eine Rücklaufleitung, die von dem Wärmetauscher zum Kühlmantel zurückführt,
  • f) eine Kühlmittelumwälzpumpe in der Rücklaufleitung,
• C) einem Vorratsbehälter für flüssiges Kühlmittel, der mit dem Kühlkreislauf über ein Steuerventil und eine Leitungsanordnung verbunden ist, enthaltend:
  • g) eine Zuführ-/Abführleitung, die von dem Vorratsbe­ hälter zu einem Punkt stromaufwärts des Einlasses der Kondensatpumpe führt,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• • h) eine Verbindungsleitung (280), die von dem Vor­ ratsbehälter (226) zur Rücklaufleitung (274) des Warmwasserheizkreises zu einem Punkt stromauf­ wärts des Einlasses der Umwälzpumpe (276) führt,
  • i) ein steuerbares Ventil (278; 279) in der Leitungs­ verbindung zwischen dem Vorratsbehälter (226) und der Rücklaufleitung (274),
  • j) eine Steuerschaltung (256), die eine Fehlfunktion der Kondensatpumpe (224) ermittelt und das steuer­ bare Ventil (278; 279) gegebenenfalls so ein­ stellt, daß eine Verbindung zwischen dem Vorrats­ behälter (226) und der Rücklaufleitung (274) her­ gestellt wird, sowie die Umwälzpumpe (276) in Be­ trieb setzt, um den vorbestimmten Kühlflüssig­ keitspegel (H 1) im Kühlmantel (208) aufrechtzuer­ halten.

2. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bodenbereich des Radiators (216) ein Pegelsensor (262) und im Kühlmantel (208) ein Drucksensor (250) oder ein Temperatursensor (254) angeordnet sind, die mit der Steuerschaltung (256) verbunden sind, um bei gleichzei­ tigem Auftreten von Kühlmittelüberschuß und Überdruck im Radiator-Kühlkreislauf das Steuerventil (230) zu öffnen, um den Kühlmittelüberschuß aus dem Radiator-Kühlkreislauf in den Vorratsbehälter (226) un­ ter der Wirkung des Überdrucks abzulassen.

3. Verdampfungskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kondensatpumpe (224) von einem Pegel­ sensor (252) gesteuert ist, der in Höhe des vorbestimm­ ten Kühlflüssigkeitspegels (H 1) im Kühlmantel (208) an­ geordnet ist, und daß im Falle einer Fehlfunktion der Kondensatpumpe (224) die Umwälzpumpe (276) von dem ge­ nannten Pegelsensor (252) gesteuert ist.

4. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (256) auf Fehlfunktion der Kondensatpumpe (224) entscheidet, wenn deren Betriebscharakteristik von einem vorbestimm­ ten Rahmen abweicht.

5. Verdampfungskühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Ventil (278) in der Rücklaufleitung (274) angeordnet ist und in einer ersten Stellung eine Fluidverbindung zwischen dem Auslaß des Wärmetauschers (270) und dem Einlaß der Umwälzpumpe (276) einrichtet und dabei die Verbindungsleitung (280) sperrt, während es in einer zweiten Stellung eine Fluidverbindung zwischen der Verbindungsleitung (280) und dem Einlaß der Umwälzpumpe (276) einrichtet und da­ bei den Auslaß des Wärmetauschers (270) sperrt.

6. Verdampfungskühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (280) mit der Rücklaufleitung (274) an einer Stelle nahe dem Einlaß der Umwälzpumpe (276) in Verbindung steht und in der Rücklaufleitung (280) das steuerbare Ventil (279) ange­ ordnet ist, das eine Durchlaßstellung und eine Sperr­ stellung aufweist.

7. Verdampfungsverfahren zum Kühlen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei ein flüssiger Wärmeträger von der Abwärme der Brennkraftmaschine verdampft und in einem Radiator rekondensiert wird und das Kondensat zur Brenn­ kraftmaschine von einer Kondensatpumpe rückgepumpt wird, und zur Erwärmung des Fahrgastraums eine Teilmenge des Wärmeträgers in flüssigem Zustand durch einen Wärmetau­ scher geführt und mittels einer Umwälzpumpe zur Brenn­ kraftmaschine rückgepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Kondensatpumpe überwacht und im Fal­ le eines Ausfalls derselben das Kondensat der Umwälzpum­ pe zugeführt und von dieser zur Brennkraftmaschine rück­ geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des flüssigen Wärmeträgers in dem Kühlman­ tel überwacht wird und das übersteigen eines vorgegebe­ nen Pegels als Ausfall der Kondensatpumpe beurteilt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat vom Bodenbereich des Radiators durch im Radiator herrschenden Überdruck in einen Vorratsbe­ hälter verdrängt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Umwälzpumpe geförderte Wärmeträger der Brennkraftmaschine an einer Stelle hohen Wärmeflusses zugeführt wird.