2.7 Ausgleichbehälter

Der Ausgleichbehälter AGB soll hier hinsichtlich seiner Funktion ausführlicher behandelt werden, da sein Anschlussort im Kühlkreislauf und der Druckaufbau im AGB-Luftpolster wesentlichen Einfluss auf die Pumpenkavitation und die Bauteildruckbelastung hat.

Im Kühlmittel-Ausgleichbehälter wird die Abscheidung von Gasblasen im Kühlmittel gewährleistet, indem von bestimmten Bauteilen des Kühlkreislaufes wie Zylinderkopf, Kühlereingang und ggf. Heizung Entlüftungsleitungen in das Behälterluftpolster gelegt werden. Meist sind an den Anschlussstutzen der Entlüftungsleitungen am Behälter Drosseln angebracht, um den Ausgleichbehältervolumenstrom klein zu halten. Schottwände im Behälter sorgen für eine Gasblasenabscheidung, ohne dass diese Gasblasen wieder in den Kreislauf zurückgefördert werden.

Im Verschlussdeckel (Renkdeckel) begrenzen das Überdruckventil den Druck im Kreislauf auf ca. 1400 mbar Überdruck und das Unterdruckventil den Druck auf ca. 900 mbar Absolutdruck (-100 mbar Überdruck). AGB sind meist aus Polypropylen spritzgegossen.

Der maximale Druck im Kühlkreislauf wird wesentlich vom Ausgleichbehälter bestimmt und ist abhängig vom Anschlussort des Ausgleichbehälters, dem maximalen Druck im Ausgleichbehälter, dem Differenzdruck der Kühlmittelpumpe und der geodätischen Höhe des Ausgleichbehälters (was wegen der begrenzten Einbauverhältnisse im Kfz eine untergeordnete Rolle spielt; bei Stationär- und Schiffsmotoren kann mit einer frei wählbaren Höhe des AGB die Kavitationscharakteristik positiv beeinflusst werden).

Zu beachten ist, dass sich im Ausgleichbehälter eine Luftvolumenänderung durch Verdrängung der Luft in den Entlüftungsleitungen einstellt:

formelzeichen 2.7

Bei Motorstillstand (Kühlmittelpumpendrehzahl = 0 U/min) befindet sich bis auf Höhe des Kühlmittelspiegels Luft in den Entlüftungsleitungen (oben im Bild a dargestellt). Bei Motorbetrieb wird, erfahrungsgemäß durch den hohen Strömungswiderstand der Entlüftungsleitungen erst bei Drehzahlen größer Leerlauf, diese Luft durch das Kühlmittel verdrängt und in den Ausgleichbehälter geschoben (Bild b). Dadurch sinkt der Wasserspiegel, durch die Entspannung des Luftpolsters verringern sich der Druck im Ausgleichgefäß und damit auch der Kühlkreislaufdruck.
Um den Wasserspiegel und damit den Ausgleichbehälterdruck nicht um zu große Werte absinken zulassen, sollten die Entlüftungsleitungen wie im Bild dargestellt erst unmittelbar am AGB auf die Anschlussstutzenhöhe geführt werden. Oft beobachtete lange Entlüftungsleitungsstrecken über dem AGB-Wasserspiegel führen zu hohen Luftvolumenverdrängungen und damit großen Wasserspiegelabsenkungen.

Der Druck im Ausgleichbehälter bei einem beliebigen Betriebszustand des Kühlkreislaufes ergibt sich aus der Addition des Druckes der trockenen Luft und des Wasserdampfteildruckes:

    \[\boldsymbol {p_{AGB}=p_\text{L tr}+p_\text{D Teil}}\]

Er ist abhängig von der Temperatur des Luftpolsters, dem Verhältnis von Luftvolumen zu Kühlmittelvolumen, dem Wasserdampfteildruck und dem kubischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlmittelgemisches, der temperaur- und druckabhängigen Dehnung der Kühlkreislaufbauteile sowie dem Druck und der Temperatur des Luftpolsters bei Motorstart. Der maximale Druck im Ausgleichbehälter sollte unter allen Betriebsbedingungen des Motors bzw. des Fahrzeuges kleiner als der Öffnungsdruck des Überdruckventils sein.

Mit der allgemeinen Gasgleichung und obenstehender Gleichung zur Berechnung des Ausgleichbehälterdruckes unter Erfassung der mit 0 gekennzeichneten Startbedingungen und der oben beschriebenen Einflussgrößen auf den Druck im Ausgleichbehälter ergibt sich:

    \[\boldsymbol {p_{AGB}=\frac{T_{L}\cdot V_\text{L 0}\cdot \left(p_\text{AGB 0}-p_\text{D Teil 0}\right)}{T_\text{L 0}\cdot \left(V_{L 0}+ \Delta V_L\right)}+p_\text{D Teil}}\]

Der berechnete Ausgleichbehälterdruck muss für jeden Betriebszustand des Kühlkreislaufes gleich oder größer als der zur Kavitationsvermeidung erforderliche Ausgleichbehälterdruck sein.
Zur Berechnung der Luftvolumenänderung \Delta V_L ist die Bilanzierung der temperatur- und druckabhängigen Einzelvoluminaänderungen der Kühlkreislaufbauteile notwendig und sollte von den verschiedenen Bauteilzulieferern ermittelt werden.

Den Einfluss von Anfangstemperatur und Anfangsdruck bei Motorstart auf den erreichbaren Druck im Ausgleichbehälter sowie bei durchflossenem und nicht durchflossenem Ausgleichbehälter ist im obenstehenden linken Diagramm dargestellt.
Bei einem durchflossenen Ausgleichbehälter ergibt sich demnach wegen der schnelleren Erwärmung der eingeschlossenen Luftmasse ein wesentlich höherer Druck als bei Verwendung eines nichtdurchflossenen Ausgleichbehälters. Bei Motorstart unter hoher Außenlufttemperatur wird der erreichbare Druck kleiner als bei niedrigen Außenlufttemperaturen.

Die Abhängigkeit des Ausgleichbehälterdruckes vom Luftvolumen – Kühlmittelvolumen – Verhältnis ist oben im Bild rechts dargestellt.

Wird das Luftvolumen/Kühlmittelvolumenverhältnis zu klein gewählt, kann zwar ein größerer Druck erreicht werden, bei höheren Kühlmitteltemperaturen ist jedoch mit einem Luft- oder Kühlmittelauswurf über das Überdruckventil zu rechnen. Bei zu groß gewähltem Verhältnis besteht wegen der geringen Drucksteigerung Kavitationsgefahr.

Ausgleichsbehälter werden in nichtdurchströmte und durchströmte Bauweise in die Kühlkreisläufe eingebunden. Nichtdurchströmte Ausgleichbehälter scheiden die Luft wesentlich schlechter ab als durchströmte, da die Entlüftungsleitungen fehlen. Bei durchströmten Ausgleichbehältern findet ein größerer Wärmeaustausch mit der Umgebung statt, was die Aufheizung des Motors verzögern kann. Mit entsprechendem Anschluss des Behälterrücklaufes kann bei geschlossenem Thermostat ein nichtdurchströmter und bei offenem Thermostat ein durchströmter Ausgleichbehälter realisiert werden. Ein teilweise durchströmter Behälter kann zur schnelleren Motoraufheizung durch ein Absperrventil am Behälterzulauf erreicht werden.

Bei Modellierung des Ausgleichbehälters im Rechenmodell, z.B. Flowmaster 7, ist darauf zu achten, die Einbauverhältnisse mit genügender Genauigkeit nachzubilden. Nachfolgend ein Ausgleichbehältermodell mit Bezeichnungen:

Rechenmodell eines Ausgleichbehälters in Flowmaster 7
Rechenmodell eines Ausgleichbehälters  in Flowmaster 7

 

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