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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des
1. Anspruchs angegebenen Art.
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Gerade
bei Verdampfungskühlsystemen
für Brennkraftmaschinen,
die im kalten Zustand nur zum Teil mit Kühlflüssigkeit 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 betriebspunktabhängige Menge Luft
und eventuell Dampf befindet. Daneben enthält der Kreislauf noch eine
unmittelbar 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 konstant anzusehen.
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Entscheidend
für die
Entwicklung eines geeigneten Befüllsystems
ist deshalb, dieses für
die betriebspunktabhängige
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.
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Aus
der
US 4,662,316 ist
eine gattungsgemäße Vorrichtung
bekannt. Hier wird im normalen Betrieb Flüssigkeit, die durch die Zulaufleitung
in den Vorratsbehälter
hineinfließt,
das Nennfüllniveau
dadurch erreichen, dass Elektroventile geöffnet bzw. geschlossen werden.
Die Verwendung von Elektroventilen bedeutet jedoch eine entsprechende
Steuerung, wobei die Elektroventile selbst auch störanfällig sein
können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zum
sicheren Erkennen von Flüssigkeitsmängeln bei
einem teilweise gefüllten
Verdampfungskühlsystem
vorzuschlagen, mit dem unter allen Betriebszuständen jeweils das minimal mögliche und
damit optimale Kühlmittelvolumen im
Kühlkreislauf
sicher erfasst werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des 1. Anspruchs gelöst. Durch die Anordnung eines
Vorratsbehälters mit
Zulaufleitung auf der Pumpendruckseite und Rücklaufleitung auf der Pumpensaugseite
wird erreicht, dass dann immer genügend Kühlflüssigkeit im Vorratsbehälter vorhanden
ist, solange die Pumpe ausreichend Flüssigkeit ansaugen kann. Kurzzeitige Minderung
der Förderleistung
durch geringe Luft- oder Dampfmengen an der Pumpe bedeuten zwar ein
kurzzeitiges Aussetzen der Förderleistung
für einige
Sekunden. Diese können
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 sichergestellt, daß der
Kunde dann auf ein tatsächliches
Fehlen hingewiesen wird.
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Die
Unteransprüche
2 bis 13 beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung,
wobei darauf Wert gelegt wurde, möglichst bewegte Teile zu vermeiden
und mit wenig Bauelementen auszukommen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher beschrieben. Es
stellen dar:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
Vereinfachung der Anordnung nach 1;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung;
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6 eine
Einzelheit des Anschlusses der Zulaufleitung.
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Allen
Ausführungsbeispielen
zugrunde liegt ein Verdampfungskühlsystem
für eine
Hubkolbenbrennkraftmaschine. Ein derartiges Verdampfungskühlsystem
ist beispielsweise aus der
DE
42 22 913 A1 vom Prinzip her bekannt.
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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. Dessen Dampfauslaß 4 ist
mit einem Kondensator 5 verbunden. Zur Erhöhung der
Kühlwirkung
ist ein Lüfter 6 vorgesehen.
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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.
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Eine
Rücklaufleitung 10 verbindet
die tiefste Stelle (Auslauf) des Kondensators 5 auf der
Flüssigkeitsseite mit
dem kühlmittelseitigen
Einlaß in
die Brennkraftmaschine 1.
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In
diese Rücklaufleitung 10 mündet auch
der Flüssigkeitsauslaß aus dem
Dampfabscheider 3.
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Zur
Aufrechterhaltung des Flüssigkeitskreislaufes
bzw. zum Nachliefern in der Brennkraftmaschine 1 verdampfter
Flüssigkeit
dient die elektrisch ansteuerbare Kühlmittelpumpe 11.
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Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass auf der Druckseite der Kühlmittelpumpe 11 eine
Zulaufleitung 12 abzweigt, die in den Boden eines Vorratsbehälters 13 mündet. Dieser
Vorratsbehälter
besitzt eine das Nennfüllniveau
bestimmende Überlaufleitung 14,
die auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 in
die Rücklaufleitung 10 mündet. Weiterhin mündet auf
der Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 eine
Rücklaufleitung 15,
die vom Boden des Vorratsbehälters 13 abzweigt.
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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 undurchsichtigem Material
ausgebildet sein. In diesem Fall weist er ein Schaufenster 16 zur
Kontrolle des Flüssigkeitsstandes
auf. Der Vorratsbehälter 13 ist
luftdicht ausgebildet und weist nur die vorher beschriebenen Anschlüsse auf.
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Daneben
mündet
auf der Saugseite der Kühlmittelpumpe
eine Befüll-Leitung 17,
die von einem Verschlußdeckel 18 gegenüber der
Umgebung verschlossen wird.
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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
Kühlmittel
gefüllt.
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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 zurückgeleitet
wird. Der Dampf strömt
zum Kondensator 5, wo er sich niederschlägt und als
flüssiges
Kühlmittel
ebenfalls im Kreislauf auf die Saugseite der Kühlmittelpumpe 11 gelangt.
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Die
Kühlmittelpumpe 11 wird
so gesteuert, daß die
Kühlräume der
Brennkraftmaschine 1 nicht trockenfallen, d.h. daß immer
genügend
flüssiges Kühlmittel
nachgefördert
wird, damit an allen heißen Stellen
sich Dampf bilden kann.
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Bei
laufender Kühlmittelpumpe 11 wird
das Kühlmittel
nicht nur in die Kühlräume der
Brennkraftmaschine gefördert,
sondern auch über
die Leitung 12 in den Vorratsbehälter 13. Die darin
befindliche Luft wird über
die Überlaufleitung 14 verdrängt und kann
aus dem Kühlkreis über den Überströmbehälter 7 und
das geöffnete
Absperrventil abströmen.
Das Absperrventil 8 wird entsprechend den gewünschten Druckverhältnissen
im Kühlkreislauf
geöffnet
bzw. geschlossen.
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Daneben
hat der Überströmbehälter 7 noch eine
andere Aufgabe. Abhängig
von der Motorlast befindet sich eine variable Menge des im Kühlkreislauf,
enthaltenen Kühlmittels
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 Kühlmittel muss – um den
Kondensationsprozeß nicht
zu behindern – 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 geöffnete
Absperrventil 8 und die semipermeable Wand 9 können nicht
nur die im Kühlsystem
auftretenden Gase entweichen, sondern auch bei Lastwechsel ein Gasaustausch
stattfinden. Damit wird Unterdruck im System vermieden.
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Bei
Motorbetrieb mit niedriger Last wird dementsprechend ein großes Kühlflüssigkeitsvolumen
im Kühlkreis
auftreten. Herrscht hier ein Mangel an Kühlflüssigkeit vor, so wird sich
zuerst der Überströmbehälter 7 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.
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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 eingefüllt. Die
Flüssigkeit wird
von der Kühlmittelpumpe 11 angesaugt
und von dieser in die Kühlräume der
Brennkraftmaschine gefördert.
Bei weiterem Auffüllen
und weiterlaufender Kühlmittelpumpe
füllen
sich die Kühlmittelräume 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.
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Gleichzeitig
wird Kühlflüssigkeit über die
Zulaufleitung 12 in den Vorratsbehälter 13 gefüllt und zwar
solange, bis sein Nenn-Niveau erreicht wird, d.h. die Kühlflüssigkeit über die Überlaufleitung 14 zurückströmt. Ein
direktes Zurückströmen über die Rücklaufleitung 15 findet
bei laufender Kühlmittelpumpe 11 nicht
statt, da der Anschluss der Rücklaufleitung 15 so
ausgestaltet ist, dass dies verhindert wird. Im dargestellten Beispiel
ist hierzu die Zulaufleitung 12 düsenförmig ausgebildet und ringförmig von der
Rücklaufleitung 15 umhüllt. Weiter
ist der Durchmesser der Rücklaufleitung 15 und
der des Düsenstrahls
aus der Zuleitung 12 so dimensioniert und aufeinander abgestimmt,
daß abhängig von
der Pumpenförderleistung
und der geodätischen
Höhe des
Vorratsbehälters
folgende Funktionen 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 düsenförmigen Mündung der Zulaufleitung 12 in die
Rücklaufleitung 15 auf
die Saugseite der Kühlmittelpumpe
fließen.
Dadurch stellt sich ein niedriger Stand im Vorratsbehälter 13 ein,
der im Schaufenster 16 sichtbar ist.
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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 Flüssigkeitsmengen
gleich sein müssen
(sog. Vogeltränkenprinzip).
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Die
Kontrolle des richtigen Kühlflüssigkeitsstandes
gelingt auch bei Motorbetrieb mit niedriger Last, beispielsweise
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 entleeren,
wodurch das Kühlmittelniveau
im Vorratsbehälter 13 ebenfalls
sinkt.
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Die
Anordnung nach 2 unterscheidet sich von der
Anordnung gemäß 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.
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Die
Anordnung nach 3 unterscheidet sich von der
nach 1 dadurch, dass die Rücklaufleitung 15 nun
nicht mehr am Eintritt der Zulaufleitung 12 in den Behälterboden
des Vorratsbehälters 13 abzweigt,
sondern als separate Leitung ausgeführt ist. Diese Anordnung kann
immer dann gewählt
werden, wenn die Pumpenförderleistung
und die Anordnung des Vorratsbehälters
entsprechend aufeinander abgestimmt sind.
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Die
Ausgestaltung der Erfindung nach 4 unterscheidet
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 angehoben wird und dabei eine Bypass-Leitung 21 in
den Vorratsbehälter 13 freigibt.
Gleichzeitig wird die Rücklaufleitung 15 verschlossen.
Die Auflagekraft des Steuerkolbens 20 kann durch eine – im vorliegenden
Beispiel nicht dargestellte – Feder
verstärkt
werden.
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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.
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Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung nach 5 unterscheidet
sich von der nach 1 dadurch, dass nach der Abzweigung
der Zulaufleitung 12 in die Rücklaufleitung 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 Anordnung verfolgt den Zweck, die Luft oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels
im Vorratsbehälter 13 bei
steigendem Flüssigkeitsstand
abzusaugen, die sonst durch die Überlaufleitung 14 verdrängt werden
müsste.
Hiermit erhält man
eine stärkere
Proportionalität
zwischen der im System vorhandenen Kühlmittelmenge und dem Füllstand
im Behälter.
Denkbar ist auch ein Einbau der Venturidüse 33 zwischen der
Mündung
der Rücklaufleitung 15 und
der Kühlmittelpumpe 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 ersetzt
wird. Die Saugleitung 32 entfällt damit gänzlich.
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In 6 ist
stark schematisiert die Kühlmittelpumpe 11 mit
ihrer Druckleitung dargestellt. Die Kühlmittelpumpe 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 Strömungsgeschwindigkeit an der
Innenseite zuerst zusammenbricht.
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Dies
bedeutet, dass wiederum in die Zulaufleitung 12 keine Flüssigkeit
gefördert
wird mit den bereits weiter oben beschriebenen Effekten.