[0001] Die Erfindung betrifft einen Kühlkreis gemäß der Bauart des Patentanspruches 1. Bei
Kühlkreisen dieser Bauart ist es üblich im Füllverschlußdeckel ein Überdruckventil
und ein Unterdruckventil anzuordnen. Zur Nutzung einer Arbeitstemperatur des aus Wasser,
Gefrierschutz und Korrosionsschutz zusammengesetzten Kühlmittels, die über der Siedetemperatur
bei Atmosphäre liegt, werden Überdruckventile mit einem Öffnungswert von ca. 0,8 bis
1,5 bar Überdruck verwendet. Die Füllverschlußdeckel und die Überdruckventile sind
entweder im Vorlauf oder im Rücklauf des Kühlkreises angeordnet, beispielsweise kurz
nach dem Austritt aus dem Kühlmantel der Maschine und nach dem dort angeordneten Kühlerventil
eines Thermostats, in der Vorlaufleitung selbst, im Vorlauf- oder Rücklaufwasserkasten
von Vertikal- oder Querstrom-Kühlern oder auch in einem die Wärmedehnung des Kühlmittels
mit einem Luftpolster aufnehmenden bzw. zur Luftsammlung und -Ausscheidung dienenden
Ausgleichsbehälter mit einer Nebenstrom- und Befüllverbindungsleitung zur Saugseite
der Kühlmittelpumpe.
[0002] Bei der in der Praxis derzeit üblichen Anordnung eines ca 1-bar-Überdruckventiles
im Vorlaufbereich des Kühlkreises ergibt sich beim Betrieb der Maschine mit höchster
Förderleistung der Kühlmittelpumpe und damit höchster Druckdifferenz zwischen der
Saugseite der Kühlmittelpumpe und der Anschlußstelle des Überdruckventiles regelmäßig
ein Absinken des Kühlmitteldruckes an der Saugseite der Kühlmittelpumpe auf den Siededruck
des Kühlmittels, wenn als höchste zulässige Kühlmitteltemperatur die Siedetemperatur
zu 1-bar vorgesehen wird. Aus physikalischen Gesetzmäßigkeiten ist ein weitergehender
Druckabfall nicht möglich, weil zumindest der Anteil an Wasser im Kühlmittel bei Absinken
auf den Siededruck zu einem solchen Teil in Dampf übergeht, der dazu ausreicht, um
einen Gleichgewichtszustand zwischen flüssigen und dampfförmigen Teilen bei Siededruck
einzustellen. Die dabei von der Kühlmittelpumpe angesaugten Dampfblasen kondensieren
zwar aufgrund des Druckanstieges in der Pumpe wiederum, jedoch wird die Förderleistung
der Kühtmittelpumpe um das angesaugte Volumen des entstandenen Dampfes verringert
und in der Pumpe selbst tritt durch das schlagartige Zusammenfallen der Dampflbasen
Kavitation mit seinen bekannten Auswirkungen auf die Pumpenlebensdauer ein.
[0003] Bei der ebenfalls in der Praxis üblichen Anordnung des Füllverschlußdeckels mit einem
ca 1- bar-Überdruckventil im Druckbereich der Saugseite der Kühlmittelpumpe ergibt
sich zwar im Kühlkreis ein um die Druckdifferenz zwischen den verschiedenen Anordnungen
höher liegender Druck auch an der Saugseite der Kühlmittelpumpe. Dieser Druck stimmt
dabei äußerstens mit dem Öffnungswert des Überdruckventiles unmittelbar überein. Bei
stetiger Erwärmung des Kühlmittels und stetigem Ansteigen der Förderleistung der Kühlmittelpumpe
durch stetiges Ansteigen der Motordrehzahl liegt dabei bis zur entsprechenden höchstzulässigen
Kühlmitteltemperatur der Überdruck an der Saugseite der Kühlmittelpumpe auch stets
mit ausreichender Sicherheit über dem Siededruck des Kühlmittels, so daß Dampfblasenbildung
an der Saugseite und weitestgehend auch Kavitation innerhalb der Kühlmittelpumpe ausgeschlossen
sind. Sobald jedoch nach dem wenigstens annäherenden Erreichen des Öffnungswertes
des Überdruckventiles ein Abfallen der Motordrehzahl, insbesondere bis zum Leerlauf,
auftritt, ergibt sich sowohl ein Abfall des Vorlaufdruckes als auch ein Anstieg des
Überdruckes an der Pumpensaugseite. Da an letzterer der Öffnungswert des Überdruckventiles
jedoch bereits wenigstens annähernd erreicht war, wird dort ein solcher Volumenanteil
des Kühlmittels oder des im Ausgleichsbehälter befindlichen Luftpolsters durch das
Überdruckventil ausgeworfen, daß sich im gesamten Kühlkreis nach dem Gesetz der kommunizierenden
Gefäße der Überdruck gemäß dem Öffnungswert des Überdruckventiles einstellt. Zwischen
der Saugseite der Kühlmittelpumpe und ihrer Druckseite besteht nämlich bei Leerlaufdrehzahl
regelmäßig nur eine geringe Druckdifferenz, die bei dieser Betrachtung vernachlässigt
werden kann. Wird nun anschließend die Motordrehzahl wiederum auf den vorhergehenden
Höchstwert gebracht, so steigt der Druck im Vorlaufbereich um denjenigen verringerten
Anteil, der dem am Überdruckventil ausgetretenen Volumenanteil entspricht. Der Druck
an der Saugseite der Kühlmittelpumpe fällt dabei zugleich um einen dementsprechenden
Wert bis zum Siededruck des Kühlmittels bei der gegebenen Kühlmitteltemperatur ab.
[0004] Durch diesen Funktionsablauf ist nach einem einmaligen Abfallen der Motordrehzahl
auch bei dieser Anordnung und Bemessung des Überdruckventiles keine Sicherheit gegen
Sieden an der Saugseite der Kühlmittelpumpe und Kavitation in der Kühlmittelpumpe
gegeben. Darüber hinaus tritt durch den geringen Druck und die dadurch verringerte
Förderleistung der Kühlmittelpumpe auch. eine verstärkte Dampfblasenbildung an den
heißesten Stellen des Kühlmantels der Maschine auf, vor allem im Zylinderkopf. Dadurch
wird der Wärmeübergang auf das Kühlmittel durch eine isolierende Dampfgrenzschicht
beeinträchtigt und der Wirkungsgrad der Kühlung als ganzes verringert. Hierzu trägt
schließlich auch noch der durch die geringere Strömungsgeschwindigkeit im Kühler auftretende
verringerte Wärmeübergang an die Umgebung bei.
[0005] Bei Kühlkreisen, bei denen ein Überdruckventil mit einem Öffnungswert von bis etwa
1,5 bar Überdruck an der Saugseite der Kühlmittelpumpe zur Wirkung kommt, wie dies
insbesondere an Hochleistungs-, Sport- und Rennmotoren zur Anwendung kommt, treten
zwar auch bei dem vorbesehriebenen Funktionsablauf, bis zu einer üblichen höchstzulässigen
Kühlmitteltemperatur von etwa 120 °C keine Einbußen am Wirkungsgrad der Kühlung ein.
Bei diesem Öffnungsdruckwert des Überdruckventiles baut sich jedoch beim ebenfalls
vorbeschriebenen ersten Erwärmen des Kühlmittels und Ansteigen der Motordrehzahl im
Vorlaufbereich des Kühlkreises ein weit über die Dauerhaltbarkeitsgrenze üblicher
Kühler liegender Überdruck auf. Aus einem Überdruck von etwa 1,5 bar an der Pumpensaugseite
ergibt sich nämlich bei einer Druckdifferenz zum Vorlaufbereich von etwa 1 bis 1,5
bar ein Überdruck im Vorlaufbereich von etwa 2,5 bis 3 bar.
[0006] Die DE-Z-Technische Rundschau Nr. 46, 29.10.1971, enthält zwar Hinweise, daß die
Förderhöhe von Kühlmittelpumpen beträchtliche Werte annehmen kann, daß zum Vermeiden
von Kavitation am Pumpeneintritt je nach Kühlmitteltemperatur ein entsprechender Vordruck
herrschen sollte und daß bei Anordnung eines Ausgleichsbehälters und damit des Überdruckventiles
im Vorlauf am Pumpeneintritt der niedrigste Druck herrscht. Für letztere Anordnung
des Überdruckventiles ist jedoch keine -Bemessungsangabe. für dessen Überdruck-Öffnungswert
enthalten, um die gestellten Anforderungen zu erfüllen.
[0007] Im Gegenteil, es werden Druckverläufe bis zu Überdruck-Öffnungswerten von 0,5- und
1,2-bar dargestellt, die diesen Anforderungen nicht gerecht werden können, zumal sich
diese ausschließlich auf die temperaturbedingten Änderungen des statischen Kühlmitteldruckes
ohne Berücksichtigung der überlagerten dynamischen . Druckeinflüsse der wechselnden
Kühlmittelpumpen-Förderleistung beziehen. Auch das in dieser Druckschrift vorgeschlagene
zusätzliche Puffervolumen zur Druckspeicherung von Luft an einem am Rücklaufbereich
angeschlossenen Ausgleichsbehälters mittels eines in einem Zylinder gleitenden federbelasteten
Kolbens berücksichtigt weder die dynamischen Einflüsse auf den Kühlmitteldruckverlauf
im Kühlkreis noch ist darin eine Anregung zur Weiterbildung eines Kühlkreises mit
einem vom Kühlmitteldruck im Vorlaufbereich angesteuerten Überdruckventil enthalten.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlkreis der im Patentanspruch 1 beschriebenen
Bauart so weiterzubilden, daß sowohl eine Abfallen des Druckes an der Saugseite der
Kühlmittelpumpe auf den Siededruck vermieden wird als auch ein übermäßig hoher Druckaufbau
im Vorlaufbereich, insbesondere im Vorlauf- Wasserkasten des Kühlers, ausgeschlossen
wird. Neben einer eindeutigen Begrenzung des Höchstdruckes soll ein Kühlkreis geschaffen
werden, der über den gesamten Arbeitsbereich einer Brennkraftmaschine einen hohen
Wirkungsgrad aufweist.
[0009] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bemessung des Überdruckventiles gemäß
dem Kennzeichen des Patentanspruches 1. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der
Druck an der Saugseite der Kühlmittelpumpe auch bei wechselnder Pumpenförderleistung
nicht auf den Siededruck des Kühlmittels abfällt, wenn wenigstens annähernd die höchstzulässige
Kühlmitteltemperatur an dieser Stelle erreicht ist, und daß zugleich der Druck im
Vorlaufbereich des Kühlkreises keine höheren Werte erreicht als dies bisher schon
üblicherweise bei bekannten Kühlkreisen mit einem vom Rücklaufbereich angesteuerten
Überdruckventil der Fall ist. Bei bevorzugt verwendeten üblichen Wasser-Gemischen
als Kühlmittel ergeben sich die beispielsweise angegebe- . nen Werte des Überdruckventiles,
die den bisher üblichen Bemessungen von Kühlkreisen angepaßt sind. Die Anordnung des
Überdruckventiles nach Anspruch 2 ergibt im Zusammenhang mit dem Druckabfall am Austritt
des Kühlmantels der Maschine den Vorteil, daß während des Betriebes der Maschine der
Druckverlauf des Kühlmittels in üblichen Grenzen liegt, daß jedoch nach dem Abstellen
der Maschine für den Nachheizvorgang durch den Temperaturausgleich zwischen den Bauteilen
und dem Kühlmittel ein um den genannten Druckabfall höher liegender Überdruck zum
Vermeiden eines Nachkochens zur Verfügung steht. Da dabei lediglich eine statische
Druckbelastung des Kühlkreises auftritt, hält sich diese in den üblichen Grenzen,
zumal nach dem Abstellen das im Kühler befindliche Kühlmittel sehr rasch abkühlt und
durch dessen negative Wärmedehnung der Druck im gesamten Kühlkreis entsprechend rasch
auf geringere Werte abfällt.
[0010] Die Merkmale des Anspruches 3 geben eine Lehre zur Abstimmung der Gesamtelastizität
des Kühlkreises und der Druckänderungen des Kühlmittels über dessen Temperaturänderungen
mittels elastischer Schlauchleitungen, wodurch beim Absinken der Kühlmitteltemperatur
ein Überschreiten des Siededruckes vor allem an der Saugseite der Kühlmittelpumpe
ohne zusätzlichen Bauaufwand ausgeschlossen wird.
[0011] Eine Abstimmung der Elastizität des Kühlkreises mittels eines bauaufwendigen zusätzlichen
Puffergefäßes enthält zwar die DE-Z-Technische Rundschau Nr. 46, 29.10.1971 ; dabei
ist jedoch ausschließlich die Druckänderung des Kühlmittels aufgrund dessen Temperaturänderung
berücksichtigt. Die Druckverlaufsänderung durch den Wechsel der Pumpenförderleistung
ist dagegen nicht in die Abstimmung einbezogen.
[0012] . Dieses Patent basiert auf einer Teilanmeldung zu EP-81-0 100 917. Eine weitere
Teilanmeldung zu EP-B1-0 100 917 ist EP-A-0 163 006.
[0013] In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt. Sie zeigt einen Kühlkreis
für Brennkraftmaschinen in schematischer Darstellung mit einem erfindungsgemäßen Überdruckventil
im Vorlaufwasserkasten eines Kühlers.
[0014] Eine Brennkraftmaschine 1 enthält einen durch einen Pfeil 2 angedeuteten Kühlmantel,
in den das Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe 3 unter Druck gefördert wird.
Am Austritt 4 des Kühlmantels 2 ist ein Vorlauf 5 als Leitungsverbindung mit freiem
Durchgang zu einem Kühler 6 angeschlossen. Der Vorlauf 5 mündet in einen Kühler-Vorlauf-Wasserkasten
7. Vom Vorlauf 5 zweigt ein Kurzschluß 8 ab und mündet in einen Mischthermostat 9,
wobei diese Mündung durch ein Kurzschlußventil 10 des Mischthermostats 9 gesteuert
wird. Von einem Kühler-Rücklauf-Wasserkasten 11 führt eine den Rücklauf 12 aus dem
Kühler 6 bildende Leitung gleichfalls in den Mischthermostat 9, der ein Kühlerventil
13 für die Steuerung der Einmündung des Rücklaufes 12 enthält. Von einer Mischkammer
14 des Mischthermostats 9 mündet eine Saugleitung 15 aus und mündet in die Saugseite
16 der Kühlmittelpumpe 3.
[0015] Am Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7 ist ein Überdruckventil 17 angeordnet, das mittels
einer Abströmleitung 18 mit einem zur Atmosphäre offenen Ausgleichsbehälter 19 verbunden
ist, der gegen Verdunsten des Kühlmittels in seiner Befüll-Öffnung mit einer geschlitzten
Dichtscheibe 19' ausgestattet ist. Das Überdruckventil 17 kann alternativ (17' bzw.
17") am Vorlauf 5 oder am Kühlmantel 2 der Maschine 1 angeschlossen sein. Über eine
Nachsaugleitung 20 und ein bevorzugt als Rückschlagventil drucklos angesprechendes
Unterdruckventil 21 ist der Ausgleichsbehälter 19 mit der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe
3 verbunden. Während die Abströmleitung 18 alternativ (18') auch mit dem oberen Bereich
des Innenraumes des Ausgleichsbehälters 19 verbunden sein kann, mündet die Nachsaugleitung
20 in Bodennähe aus dem Innenraum des Ausgleichsbehälters 19 aus. Die Abströmleitung
18 kann schließlich auch gesondert (18") in Bodennähe des Ausgleichsbehälters 19 in
diesen einmünden. Das Unterdruckventil 21 ist mit einem Füllstutzen 21' zu einer Baueinheit
vereinigt.
[0016] ' Parallel zum Überdruckventil 17 ist der Abströmleitung 18 ein Entlüftungsventil
22 zugeschaltet, das durch seine Ausbildung als Schnüffel-, Rückschlag- oder Schwimmer-Ventil
oder dgl. bei Anlage von Luft und drucklosem Kühlkreis durch Schwerkrafteinwirkung
geöffnet ist. Ein oder mehrere relativ großflächige Feinsiebe 23 im Kühler 6 bzw.
im Ausgleichsbehälter 19 vermeiden ein durch vom Kühlmittel mitgerissene Schmutzteilchen
verursachtes Undichtwerden der Ventile.
[0017] Im Füllstutzen 21' ist neben dem Unterdruckventil 21 ein weiteres Überdruckventil
24 angeordnet. Dieses weitere Überdruckventil 24 ist über die Nachsaugleitung 20 unmittelbar
an der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 und damit an deren Saugdruck wirksam. In
den Innenraum des Füllstutzens 21' mündet eine Entlüftungsleitung 25, die mit einer
Drossel 26 zum Abbau der Druckdifferenz zwischen ihren Anschlüssen einerseits am Vorlauf-Wasserkasten
7 und andererseits über die Nachsaügleitung 20 an der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe
3 liegt. In den Füllstutzen 21' bzw. in den Füllstutzen-Deckel ist ein Niveau-Schwimmerschalter
21" eingebaut, der bei Luftansammlung im Füllstutzen 21' einen Anzeigestromkreis ansteuert,
und zwar unabhängig davon, ob im Ausgleichsbehälter 19 noch eine optisch erkennbare
Reservemenge enthalten ist oder nicht.
[0018] Das Befüllen des Kühlkreises mit Kühlmittel erfolgt in den Füllstutzen 21'. Durch
die Nachsaugleitung 20 und die Kühlmittelpumpe 3 füllt sich die Maschine 1, während
gleichzeitig die darin enthaltene Luft durch den Vorlauf 5, den Kühler-Vortauf-Wasserkasten
7 und die Entlüftungsleitung 25 in den Füllstutzen 21' sowie durch das offene Entlüftungsventil
22 und die Abströmleitung 18 in den Ausgleichsbehälter 19 zur Atmosphäre entweicht.
Sobald in der Maschine 1 und gleichzeitig durch die Saugleitung 15, die Mischkammer
14 und das offene Kurzschlußventil 10 des Mischthermostats 9 im Kurzschluß 8 das Niveau
des Vorlaufs 5 vom Kühlmittel erreicht ist, füllt sich auch der Kühler 6 sowie der
Rücklauf 12 bis zum Kühlerventil 13, das zusätzlich mit einer üblichen Entlüftungsvorrichtung
ausgerüstet sein kann. Das Entlüftungsventil 22 im Kühler 6 schließt den gefüllten
Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7 zur Abströmleitung 18 hin ab, während sich die Entlüftungsleitung
25 und der Füllstutzen 21 vollständig füllen. Der Niveau-Schwimmerschalter 21" steuert
nach Verschließen des Füllstutzens eine elektrische Anzeige-Lampe an den Armaturen
der Maschine bzw. des Fahrzeuges an. Mit einer zusätzlichen Reservemenge kann der
Ausgleichsbehälter 19 teilweise befüllt werden. In diesen fließt bei Wärmedehnung
durch Umgebungs- und Kühlkreis-Temperaturschwankungen sowie vor allem durch die Betriebs-Erwärmung
der durch die Überdruckventile 17, 17' bzw. 17" und 24 aus dem Kühlkreis verdrängte
Teil des Kühlmittels.
[0019] Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1, der üblicherweise nach längerem Abkühlen mit
einem Kaltstart beginnt, bei dem der ebenfalls abgekühlte Kühlmittelinhalt des gesamten
Kühlkreises ein bestimmtes Minimal-Volumen aufweist, enthält der Ausgleichsbehälter
19 einen entsprechenden Minimalinhalt. Beim Starten der abgekühlten Maschine führt
der erste Drehzahlanstieg sofort zum Aufbau einer Förderhöhe der Kühlmittelpumpe 3,
die einerseits ein Absinken des Pumpensaugdruckes unter den vor dem Start im gesamten
Kühlkreis gegebenen Umgebungsdruck und an- dererse
its einen Aufbau eines Überdruckes in den der Kühlmittelpumpe 3 nachgeschalteten Kühlkreisabschnitten,
Kühlmantel 2, Vorlauf 5, Kurzschluß 8, Kühler 6 und Rücklauf 12 bewirkt. Während dieser
Überdruck den Öffnungsdruckwert des Überdruckventiies 17 nicht erreicht, wird durch
das auf geringste Druckdifferenz ansprechende Unterdruckventil 21 und durch die Nachsaugleitung
20 aus dem Ausgleichsbehälter 19 so lange Kühlmittel in den Kühlkreis gesaugt, bis
an der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 der Umgebungsdruck erreicht ist. Bei diesem
Vorgang steigt gleichzeitig der Überdruck in den der Kühlmittelpumpe 3 nachgeschalteten
Teilen des Kühlkreises weiter an. Die elastischen Schlauchleitungen und evtl. Restlufteinschlüsse
in diesem Bereich ermöglichen dabei eine Zunahme des darin enthaltenen Volumens an
Kühlmittel.
[0020] Während des weiteren Betriebes der Brennkraftmaschine 1 steigt aufgrund des Wärmeüberganges
im Kühlmantel 2 auf das Kühlmittel dessen Temperatur stetig an bis der Öffnungstemperaturwert
des Mischthermostats 9 von etwa 80 °C erreicht wird. Daran schließt sich der Regelbereich
des Mischthermostats 9 mit zunehmendem Öffnen des Kühlerventiles 13 und Schließen
des Kurzschlußventiles 10 sowie ebenfalls zunehmendem Durchströmen des Kühlers 6 an.
Ein weiterer Temperaturanstieg bis über ca. 95 °C führt über den Regelbereich des
Mischthermostats 9 hinaus bei geschlossenem Kurzschlußventil 10 zum alleinigen Durchströmen
des Kühlers 6 mit dadurch erhöhter Durchflußmenge, Durchflußgeschwindigkeit, Wärmeabfuhr
und auch erhöhtem Strömungswiderstand und Druckaufbau im Kühlmantel 2, Vorlauf 5 und
Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7. Je nach Volumeninhalt und Elastizität des Kühlkreises,
insbesondere der Schlauchleitungen des Vorlaufes 5, des Kurzschlusses 8, des Rücklaufes
12 und der Saugleitung 15, sowie ferner je nach der Ausgangstemperatur des Kühlmittels
beim Startvorgang und je nach augenblicklicher Motordrehzahl wird der Öffnungsdruckwert
des Überdruckventiles 17 von etwa 2 bar oder des Überdruckventiles 24 von etwa 1,5
bar mehr oder weniger frühzeitig vor oder nach dem Öffnen des Kühlerventiles 13 des
Mischthermostats 9 erreicht. Die Motordrehzahl ist deshalb ausschlaggebend, weil die
auftretende geringe Förderhöhe der Kühlmittelpumpe 3 bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen
zuerst ein Ansprechen des Überdruckventiles 24 ermöglicht, das mit einem Überdruck-Öffnungswert
anspricht, der gerade um diejenige Druckdifferenz niedriger als der Überdruck-Öffnungswert
des Überdruckventiles 17 liegt, die sich zwischen Stillstand oder Leerlaufdrehzahl
und Höchstdrehzahl der Maschine an der Anschlußstelle des Überdruckventiles 17, 17
* bzw. 17" aufbaut. Bei geringen Motordrehzahlen spricht somit jeweils das Überdruckventil
24 an, das auf der Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 über die Nachsaugleitung 20
angeschlossen ist. Nur im Bereich der Höchstdrehzahl der Maschine ist der Überdruck-Öffnungswert
des Überdruckventils 17, 17' bzw. 17" maßgebend. Dabei treten jedoch andererseits
aufgrund der Strömungswiderstände des Kühlkreises in Strömungsrichtung nach dem Überdruckventil
17, 17' bzw. 17" jeweils niedrigere Drücke auf. Der Druck an der Saugseite 16 der
Kühlmittelpumpe 3 liegt dabei sogar wesentlich unter dem Überdruck-Öffnungswert des
dort wirksamen Überdruckventiles 24. Dies ist in der Saugwirkung der Kühlmittelpumpe
3 und in den über den gesamten Kühlkreis verteilten Elastizitäten vor allem der Schlauchleitungen
begründet. Bei niedrigster Leerlaufdrehzahl der Maschine sind die Druckdifferenzen
sehr gering und damit nimmt, wie auch beim Stillstand der Maschine 1 der gesamte Kühlkreis
einen Überdruck entsprechend dem Öffnungswert des Überdruckventiles 24 an.
[0021] Insgesamt kann somit im Kühlkreis regelmäßig ein Innendruck vom Umgebungsdruck bis
zum Öffnungsdruckwert des Überdruckventils 17 sowie während des Betriebes der Maschine
1 im Bereich zwischen der Kühlmittelpumpe 3 und dem Überdruckventil 17, 17
* bzw. 17", also vor allem im Kühlmantel 2,'ein darüber hinausgehender, vom Strömungswiderstand
des Kühlkreises abhängiger Überdruck auftreten. Die eindeutige Begrenzung der Höchst-
und Niedrigst-Druckwerte vermeidet einerseits eine Drucküberlastung des Kühlers 6
mit entsprechender Überdimensionierung in seiner Festigkeit und andererseits einen
Druckabfall mit erhöhter Kavitationsgefahr in der Kühlmittelpumpe 3. Die sichere Funktion
mit hohem Wirkungsgrad des Kühlkreises bis zur Auslegungsgrenze ist somit gewährleistet.
[0022] Der durch die Wirkung des Überdruckventiles 24 nach dem Abstellen der Maschine im
gesamten Kühlkreis einheitlich zur Verfügung stehende Überdruck wirkt einer Dampfbildung
beim Nachheizen bzw. Temperaturausgleich zwischen der Maschine und dem Kühlmittel
entgegen. Eine Drucküberlastung der Kühlkreis-Bauteile ist durch diesen relativ geringen
ausschließlich statisch wirksamen Überdruck nicht gegeben. Der vom Überdruckventil
17, 17' bzw. 17" bestimmte höhere Überdruck ist auf den betrieb der Maschine 1 mit
relativ hohen Motordrehzahlen begrenzt, bei denen die Druckdifferenz zwischen der
Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe 3 und der Anschlußstelle des Überdruckventiles 17,
17' bzw. 17" größer ist als die Differenz zwischen den Überdruck-Öffnungswerten der
Überdruckventile 17, 17' und 17" einerseits und 24 andererseits. Dieser höhere Überdruck
ist somit auf einen relativ geringen Anteil der Betriebszeit der Maschine, insbesondere
beim Antrieb von Fahrzeugen, begrenzt. Die Dauerhaltbarkeit der Kühlkreis-Bauteile,
insbesondere des Kühlers und der Schlauchleitungen, wird dadurch begünstigt.
[0023] Bei einem Abkühlen der Maschine 1 und des Kühlmittels aufgrund einer Rücknahme der
Motorlast fällt aufgrund der dann negativen Wärmedehnung des Kühlmittels auch der
Überdruck im Kühlkreis ab. Damit dabei der Überdruck vor allem an der Saugseite der
Kühlmittelpumpe 3 nicht unter den Siededruck zur jeweiligen Temperatur des Kühlmittels
sinkt, ist die Gesamt-Elastizität des Kühlkreises, vor allem mittels der Elastizität
der Schlauchleitungen, entsprechend abgestimmt.
[0024] Mit Beginn des Betriebes der Maschine 1 nach dem Befüllen des Kühlkreises mit Kühlmittel
beginnt auch ein selbsttätiges Entlüften des Kühlkreises von Restluftanteilen, die
während des Befüllens an verschiedenen Stellen zurückgeblieben sind oder während des
Betriebes, beispielsweise durch die jeweils kurzzeitig beim Kaltstart mit Unterdruck
belasteten Dichtungen der Kühlmittelpumpe 3, in den Kühlkreislauf gelangen. Diese
Restluftanteile werden mit der Strömung des Kühlmittels von der Maschine 1 durch den
frei durchgehenden Vorlauf 5 in den Kühler-Vorlauf-Wasserkasten 7 gespült, in den
während des Anwärmens der Maschine bei geschlossenem Kühlerventil 13 des Thermostats
9 lediglich die von der Drossel 26 bestimmte relativ geringe Entlüftungsströmung gelangt.
Dadurch kann sich nach der Abzweigung des Kurzschlusses 8 im restlichen Teil des Vorlaufes
5 und im Kühler-Vorlauf-Wasserskasten 7 bei beruhigter Strömung ein großer Teil der
Restluft vom Kühlmittel abscheiden und bei größerer Ansammlung durch das dann öffnende
Entlüftungsventil 22 über die Abströmleitung 18 und ggf. 18" zum Ausgleichsbehälter
19 abströmen. Ein entsprechendes Volumen an Kühlmittel kann gleichzeitig durch die
Nachsaugleitung 20 und das Überdruckventil 21 in den Füllstutzen 21' gesaugt werden,
was aufgrund der Auswirkung des Pumpensaugdruckes über die zur Saugseite 16 führende
Nachsaugleitung 20 zustandekommt. Durch die Entlüftungsleitung 25 und die Drossel
26 fließt der Entlüftungsstrom zum Füllstutzen 21', der die verbleibenden kleineren
Restluftanteile in den Füllstutzen leitet und dort dem weiteren Überdruckventil 24
vorlagert. Sobald durch das Anwärmen der Maschine 1 und des Kühlmittels sowie durch
die dabei gegebene Wärmedehnung und Druckerhöhung des Kühlmittels der Überdruckwert
von etwa 1,5 bar dieses Überdruckventiles 24 erreicht wird, öffnet dieses und läßt
die gesamte Restluft durch die Nachsaugleitung 20 in den Ausgleichsbehälter 19 strömen.
Dieser Vorgang setzt sich fort bzw. wiederholt sich, bis der Wärme-Beharrungszustand
des Kühlkreises erreicht ist. Ein Entlüften tritt auch dann ein, wenn der Überdruck-Öffnungswert
von etwa 2,0 bar des Überdruckventiles 17 im Kühler-Vorlauf-Wasserkasten erreicht
wird. Jedoch werden dabei keine vorgelagerten Restluftanteile, sondern lediglich unmittelbar
im austretenden Kühlmittel enthaltene oder gelöste Restluftanteile in den Ausgleichsbehälter
19 und damit an die Atmosphäre ausgeschieden. Ein weiteres Entlüften und Ausschieben
von Kühlmittel mit Restluft aus dem Füllstutzen 21' in den Ausgleichsbehälter 19 durch
das Überdruckventil 24 tritt auch immer dann ein, wenn nach einer Anwärm-Betriebszeit
mit hoher Motordrehzahl von etwa 5 000 bis 6 000/min und hoher Druckdifferenz von
etwa 1 bar zwischen Kühler-Vorlauf- Wasserkasten 7 und Saugseite 16 der Kühlmittelpumpe
3 die Motordrehzahl erheblich, insbesondere bis auf Leerlaufdrehzaht. abfällt. Der
Überdruck-Öffnungswert von etwa 2 bar des Überdruckventiles 17 ist dabei nämlich zuerst
wenigstens annähernd erreicht und dagegen der Überdruck-Öffnungswert von etwa 1,5
bar des weiteren Überdruckventiles 24 wesentlich unterschritten. Beim Abfallen der
Motordrehzahl gleichen sich die Überdruckwerte dann weitestgehend einander an, so
daß der Überdruck im Füllstutzen 21' etwa auf den überdruck-Öffnungswert des dortigen
Überdruckventiles 24 steigt. Bei der regelmäßig dann anschließenden weiteren Erwärmung
des Kühlmittels durch den Temperaturausgleich zwischen der hoch aufgeheizten Maschine
1 und dem Kühlmittel wird durch die entsprechende Wärmedehnung des Kühlmittels der
Überdruck-Öffnungswert des Überdruckventiles 24 überschritten. Die im Füllstutzen
21' bis dahin evtl. vorgelagerte Restluft wird dabei zusammen mit einem Anteil an
Kühlmittel in den Ausgleichsbehälter 19 ausgeschieden.
[0025] Im Ausgleichsbehälter 19 scheidet sich bei atmosphärischem Druck und Umgebungstemperatur,
z. B. Motorraumtemperatur von Fahrzeugen, die im Kühlmittel als Blasen oder in Lösung
enthaltene Luft in die Atmosphäre ab. Eine verschnittfrei geschlitzte Dichtscheibe
19' läßt zwar zum Volumenausgleich einen Luftaus- und -eintritt aus bzw. in den Ausgleichsbehälter
19 zu, verhindert jedoch eine ständige Luftbewegung durch Konvektionsströmung. Dadurch
werden Verdunstungsverluste an Kühlmittel weitestgehend vermieden.
1. Kühlkreis für flüssigkeits-gekühlte Brennkraftmaschinen, mit einer am Zulauf zum
Kühlmantel (2) der Maschine (1) angeordneten Kühlmittelpumpe (3), die in dem Kühlmantel
(2), einem Kühler (6), einem Thermostat (9) und deren Verbindungsleitungen (Vorlauf
5, Rücklauf 12 und Kurzschluß 8) einen Umlauf eines flüssigen Kühlmittels, insbesondere
einer Mischung aus Wasser mit Frostschutz- und Korrosionsschutz-Zusätzen, mit einem
mit der Maschinen-Drehzahl wechselnden Druckgefälle bewirkt, und mit einem zur Atmosphäre
öffnenden, Kühlmitteldruck im Vorlaufbereich - Kühlmantel (2), Vorlauf (5) und Kühler-Vorlauf-Wasserkasten
(7) umfassend - angesteuerten Überdruck-Ventil (17, 17 bzw. 17") zur Begrenzung des
Kühlmittel-Höchstdruckes, dadurch gekennzeichnet,'daß das Überdruckventil (17) einen
Überdruck-Öffnungswert - bei Wasser-Gemischen als Kühlmittel von etwa 1,5 bis 2,2
bar - aufweist, der höher als der Siededruck des Kühlmittels bei an der Saugseite
(16) der Kühlmittelpumpe (3) höchstzulässiger Kühlmitteltempera- . tur - bei Wasser-Gemischen
als Kühlmittel von etwa 90 bis 120°C - um wenigstens diejenige Druckdifferenz - üblicherweise
von etwa 0,5 bis 1,2 bar - liegt, die zwischen der Saugseite (16) der Kühlmittelpumpe
(3) und der Anschlußstelle des Überdruckventils (17, 17', 17") dann auftritt, wenn
im wesentlichen die höchste Förderleistung der Kühlmittelpumpe (3) bei voll geöffnetem
Kühlerventil (13) des Thermostats (9) gegeben ist.
2. Kühlkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckventil (17")
am Kühlmantel (2) vor dessen Austritt (.4) angeschlossen ist.
3. Kühlkreis nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch elastische Schlauchleitungen (für
Vorlauf 5, Kurzschluß 8, Rücklauf 12, Saugleitung 15, Nachsaugleitung 20 und Entlüftungsleitung
25) im Vor- und Rücklaufbereich zwischen Kühlmantel (2), Kühler (6), Thermostat (9)
und/oder Kühlmittelpumpe (3), deren Elastizität gemeinsam mit der Elastizität der
weiteren Kühlmittel enthaltenden Hohlräume und/oder der in diesen enthaltenen Luft-
bzw. Gas-Anteile derart mit den temperaturwechsel-bedingten Volumens- und DruckÄnderungen
des Kühlmittels, den pumpenförderungsleistungs-bedingten Druckverlaufs-Änderungen
und dem Überdruck-Öffnungswert des Überdruckventiles (17, 17' bzw. 17") abgestimmt
ist, daß bei wechselnder Kühlmittel-Temperatur and Maschinen- bzw. Kühlmitteipumpen-Drehzahl
der Kühlmitteldruck an der Saugseite (16) der Kühlmittelpumpe (3) stets über dem jeweiligen
Siededruck des Kühlmittels liegt.
1. A- cooling circuit for liquid-cooled internal combustion engines having a coolant
pump (3) arranged at the inlet to the cooling jacket (2) of the engine (1), which
pump effects circulation of a liquid coolant, especially a mixture of water with anti-freeze
and anti-corrosive additives, in the cooling jacket (2), a radiator (6), a thermostat
(9) and the connecting conduits thereof (top hose 5, bottom hose 12 and by-pass 8)
with a pressure drop changing with the engine rotation rate, and having a pressure-relief
valve (17, 17' and/or 17") opening to the atmosphere and actuated by the coolant pressure
in the top hose region - including cooling jacket (2), top hose (5) and radiator header
tank (7) - for the limitation of the maximum coolant pressure, characterised in that
the pressure-relief valve (17) has an excess pressure opening value - in the case
of water mixtures as coolant - of about 1.5 to 2.2 bars, which lies higher than the
boiling pressure of the coolant on the occurrence of the maximum permissible coolant
temperature on the suction side (16) of the coolant pump (3) - about 90 to 120 degrees
C. in the case of water mixtures as coolant - by at least that pressure difference
- ordinarily of about 0.5 to 1.2 bars - which occurs between the suction side (16)
of the coolant pump (3) and the connection point of the pressure-relief valve (17,
17', 17") when substantially the maximum delivery performance of the coolant pump
(3) occurs with the radiator valve (13) of the thermostat (9) fully opened.
2. A cooling circuit according to Claim 1, characterised in that the pressure-relief
valve (17") is connected to the cooling jacket (2) in advance of its outlet (4).
3. A cooling circuit according to Claim 1, characterised by elastic hoses (for top
hose 5, by-pass 8, bottom hose 12, suction pipe 15, secondary suction pipe 20 and
air-discharge pipe 25) in the feed and return zones between the cooling jacket (2),
radiator (6), thermostat (9) and/or coolant pump (3), the elasticity of which hoses,
in common with the elasticity of the further hollow spaces containing coolant and/or
the proportions of air or gas contained in these according to the variations of volume
and pressure of the coolant caused by temperature changes, is adapted to the pressure
gradient variations dependent upon pump delivery performance and the pressure-relief
opening value of the pressure-relief valve (17, 17' and/or 17") in such a way that,
with changing coolant temperature and rotation rate of the engine or coolant pump,
the coolant pressure on the suction side (16) of the coolant pump (3) always lies
above the boiling pressure of the coolant in each case.
1. Circuit de refroidissement pour des moteurs à combustion interne refroidis dans
un liquide, avec une pompe (3) d'agent de refroidissement disposée à l'entrée de la
chemise de refroidissement (2) du moteur (1), et qui assure, dans la chemise de refroidissement
(2), dans un radiateur (6), dans un thermostat (9), et dans leurs canalisations de
liaison (arrivée 5, retour 12 et dérivation 8), la circulation d'un agent de refroidissement
liquide, notamment d'un mélange d'eau avec des ajouts de protection contre le gel
et la corrosion, avec une chute de pression variant avec la vitesse de rotation du
moteur, et avec une soupape de surpression (17, 17', ou bien 17") ouvrant vers l'atmosphère
et commandée par la pression de l'agent de refroidissement dans la zone d'entrée,
englobant la chemise de refroidissement (2), l'entrée (5) et la caisse à eau (7) à
l'entrée du radiateur, afin de limiter la pression maximale de l'agent de refroidissement,
circuit caractérisé en ce que la soupape de surpression (17) a, dans le cas où des
mélanges à base d'eau sont utilisés comme agent de refroidissement, une valeur d'ouverture
à la surpression d'environ 1.5 à 2,2 bars, supérieure à la température d'ébullition
de l'agent de ,refroidissement, pour la température maximale admissible de l'agent
de refroidissement (environ 90 à 120 °C pour des mélanges à base d'eau utilisés comme
agent de refroidissement), du côté aspiration (16) de la pompe (3) d'agent de refroidissement,
d'au moins la différence de pression, habituellement de l'ordre de 0,5 à 1,2 bar,
qui s'établit entre le côté aspiration (16) de la pompe (3) de l'agent de refroidissement
et le raccordement de la soupape de surpression (17, 17', 17*), lorsque, en pratique, la pompe (3) d'agent de refroidissement donne sa puissance
de refoulement maximale, la soupape de radiateur (13) du thermostat (9) étant complètement
ouverte.
2. Circuit de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape
de surpression (17") est raccordée à la chemise de refroidissement (2) devant la sortie
de celle-ci.
3. Circuit de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte
des canalisations élastiques souples (pour l'entrée 5, la dérivation 8, le retour
12, la canalisation d'aspiration 15, la canalisation de réaspiration 20 et la canalisation
de désaération 25), dans la zone d'entrée et de retour entre la chemise de refroidissement
(2), le radiateur 6, le thermostat (9) et/ou la pompe d'agent de refroidissement (3),
canalisations souples dont l'élasticité, en corrélation avec l'élasticité des autres
espaces creux contenant l'agent de refroidissement et/ou des quantités d'air ou de
gaz contenues dans ces espaces, est en accord avec les variations de volume et de
pression dues aux changements de température, aux variations dans l'évolution de la
pression dues à la puissance de refoulement de la pompe, et à la valeur d'ouverture
à la surpression de la soupape de surpression (17, 17', ou bien 17"), de façon que,
lorsque la température de l'agent de refroidissement et la vitesse de rotation du
moteur ou de la pompe de l'agent de refroidissement se modifient, la pression de l'agent
de refroidissement sur le côté aspiration (16) de la pompe (3) d'agent de refroidissement
se situe toujours au-dessus de la pression d'ébullition de l'agent de refroidissement
à ce même instant.