DE102005044559A1 - Anordnung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere Kühlmodul - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Kühlmodul (1), bestehend aus einer Luftleiteinrichtung (7, 6) zur Luftführung mit einem Gesamtströmungsquerschnitt, mindestens zwei Wärmeübertragern (2, 3) zur Kühlung von Fluidströmen, einer Luftfördereinrichtung (4, 4a, 4b) sowie einer im Luftstrom angeordneten Einrichtung zur Regelung des Luftmassenstromes. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass der Luftmassenstrom in einem Teilquerschnitt des Gesamtquerschnittes durch die Einrichtung regelbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Kühlmodul nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und des nebengeordneten Patentanspruches 13.
- Kühlmodule sind bekannt – es handelt sich dabei um vormontierte Baueinheiten, welche vorzugsweise im vorderen Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet und befestigt werden. Die Baueinheit bzw. das Kühlmodul umfasst diverse Kühlkomponenten sowie Komponenten einer Klimaanlage, u. a. verschiedene Wärmeübertrager wie Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler, Ölkühler oder Kältemittelkondensatoren. Darüber hinaus kann auch ein oder mehrere Kühlluftgebläse, bestehend aus Lüfter und Antriebsmotor, Bestandteil des Kühlmoduls sein. Alle Kühlkomponenten werden durch ein rahmenartiges Gebilde, einen so genannten Modulträger zusammengehalten und im Fahrzeug abgestützt. Sämtliche Wärmeübertrager werden durch einen Kühlluftstrom, d. h. Umgebungsluft gekühlt, welcher durch Staudruck oder durch das Kühlluftgebläse erzeugt wird. Der das Kühlmodul durchströmende Luftstrom erzeugt einen Luftwiderstand, welcher den cw-Wert des Fahrzeuges erhöht. Je nach Anordnung der Wärmeübertrager im Kühlmodul werden diese unterschiedlich stark vom Kühlluftstrom beaufschlagt, was nicht immer den Anforderungen an den jeweiligen Kühlbedarf entspricht. Der Kühlbedarf für die einzelnen Wärmeübertrager ist sehr unterschiedlich und hängt von den jeweiligen Belastungszuständen ab. Die Regelung des Kühlbedarfs er folgt üblicherweise durch eine Reglung der Fluidströme in den Wärmeübertragern, während der Luftmassenstrom (Durchsatz) in der Regel nicht verändert oder an den jeweiligen Kühlbedarf der einzelnen Wärmeübertrager angepasst wird.
- Durch die
EP 1 431 698 A2 ist es bekannt, den Luftmassenstrom insgesamt zu regeln, wobei im Luftstrom eine Jalousie angeordnet ist, welche sich über den gesamten Luftströmungsquerschnitt erstreckt. Eine solche Jalousie kann auch zur Steuerung eines Kühlluftstromes durch den Motorraum zur Kühlung von Motor und Getriebe eingesetzt werden. - Durch die
DE 197 19 792 B4 der Anmelderin wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei ebenfalls eine Jalousie im Kühlluftstrom angeordnet ist, welche den Durchsatz des gesamten Kühlluftstromes bestimmt, der vom Staudruck abgezweigt wird. Der Anteil der Entnahme der Kühlluftströmung aus der Stauluft beeinflusst den Fahrzeugwiderstand: Je mehr die Jalousie geöffnet wird, umso stärker erhöht sich der Luftwiderstand, was den Gesamtenergieverbrauch erhöht. - Jalousien sind in verschiedenen Formen und unterschiedlichen Anordnungen bekannt, z. B. als Klappen- oder Lamellenjalousien, welche durch die
DE 196 52 398 A1 und dieDE 197 15 352 A1 der Anmelderin bekannt wurden. Ferner sind so genannte Wickeljalousien bekannt, bei welchen durch ein auf- und abwickelbares Tuch die Kühler- und/oder die Kondensatorstirnfläche abdeckbar ist (DE 35 22 591 A1 der Anmelderin). Jalousien werden auch zur Geräuschdämmung verwendet. - Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass jeweils nur der gesamte Luftstrom regelbar ist, der alle Wärmeübertrager des Kühlmoduls beaufschlagt.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Kühlung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine differenzierte Regelung des Luftmassenstromes, insbesondere eine Luftstromregelung für ein zelne Wärmeübertrager des Kühlmoduls möglich sowie eine Anpassung an den veränderlichen Staudruck erreichbar ist.
- Diese Aufgabe wird zunächst durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass die im Luftstrom angeordnete Jalousie nur einen Teilquerschnitt regelt, d. h. einen Teilluftstrom. Damit ist es möglich, den Luftdurchsatz gezielt für einzelne Wärmeübertrager oder einen bestimmten Wärmeübertrager zu regeln. Damit wird der Vorteil einer verbesserten Leistungsregelung für die einzelnen Wärmeübertrager des Kühlmoduls erreicht, weil zusätzlich zur Regelung des Fluidstroms, d. h. des zu kühlenden Mediums, auch das kühlende Medium selbst, die Kühlluft, regelbar ist. Dies kann je nach Ausbildung der Jalousie in Stufen oder stufenlos erfolgen von voll geöffnet bis voll geschlossen, so dass es z. B. möglich ist, ausgewählte Wärmeübertrager in bestimmten Betriebszuständen überhaupt nicht mehr mit Kühlluft zu beaufschlagen. Damit wird z. B. verhindert, dass der betreffende Wärmeübertrager nicht unter- oder ausgekühlt wird. Vorteilhafterweise kann die Jalousie in Luftströmungsrichtung gesehen sowohl vor als auch hinter dem oder den Wärmeübertragern angeordnet sein. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, dass im Luftstrom eine Trennwand (in Luftströmungsrichtung) angeordnet ist, welche einen oder mehrere Teilluftströme abteilt, die bestimmten Wärmeübertragern zugeordnet sind. Diese Teilluftströme werden über eine oder eine mehrteilige Jalousie in ihrem Durchsatz geregelt.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können der Lüfter zur Förderung der Kühlluft und die Jalousie jeweils hinter den Wärmeübertragern und in einer Zarge angeordnet sein, welche an das Kühlmodul anschließt. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann dann zwischen Lüfter und Jalousie eine Schwenkklappe zur Trennung der Luftströme bzw. zur Abschottung eines Luftstromes vorgesehen sein. Damit wird der Vorteil erreicht, dass der Luftstrom einerseits bei geschlossener Jalousie gedrosselt und andererseits bei geschlossener Jalousie und ausgeschwenk ter Trennklappe völlig unterbunden wird. Eine solche Lösung ist beispielsweise für einen Kühlmittelkühler bei niedrigen Außentemperaturen vorteilhaft, da damit ein Auskühlen des Kühlers vermieden wird. Damit ist es auch nicht mehr erforderlich, den Fluid- bzw. Kühlmitteldurchsatz im Wärmeübertrager bzw. Kühlmittelkühler bei mangelndem Kühlbedarf zu reduzieren bzw. in starkem Maße zu reduzieren. Schließlich ergibt sich bei gedrosselter oder geschlossener Jalousie der Vorteil eines verringerten Fahrzeugwiderstandes, was den Kraftstoffverbrauch verringert.
- Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 13 gelöst – vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachgeordneten Unteransprüchen.
- Erfindungsgemäß ist eine Zarge mit variabler Geometrie vorgesehen, d. h. mit einem veränderlichen Ansaugquerschnitt für den Lüfter und mit veränderlichem Querschnitt für Stauluftöffnungen. Die Veränderung des Ansaugquerschnittes wird vorzugsweise durch eine oder mehrere schwenkbare Klappen erreicht, welche insbesondere gleichzeitig die Stauluftöffnungen kontrollieren. Durch diese variable Geometrie der Zarge wird einerseits eine Anpassung des Arbeitspunktes des Lüfters an die verschiedenen Betriebsbedingungen wie Leerlauf, Bergfahrt und Schnellfahrt erreicht und andererseits eine Erhöhung des Gesamtluftmassenstromes erzielt. Der Lüfter arbeitet somit mit höherem Wirkungsgrad und die Kühlleistung des Kühlmoduls wird verbessert.
- In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Veränderung des Ansaugquerschnittes stufenweise, vorzugsweise mittels Klappen oder stufenlos, vorzugsweise mit einer Faltklappe oder einer faltbaren Zargenrückwand erfolgen.
- Die Klappe oder Klappen sind vorzugsweise horizontal, vertikal, schräg oder bogenförmig und vorzugsweise um eine Lüfteröffnung in der Zarge verteilt angeordnet, wobei die Lüfteröffnung in allen Fällen mittig oder außermittig in der insbesondere rechteckigen Zarge angeordnet ist.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
-
1 ein Kühlmodul mit Jalousie in einer ersten Stellung (Jalousie geöffnet), -
2 das Kühlmodul in einer zweiten Stellung (Jalousie geschlossen), -
3 das Kühlmodul in einer dritten Stellung (Jalousie geschlossen und Klappe in Sperrposition), -
4 das Kühlmodul in einer vierten Stellung (Jalousie geöffnet und Klappe in Trennposition), -
5 ein Kühlmodul mit variabler Zargengeometrie (erste Stellung), -
6 das Kühlmodul gemäß5 in einer zweiten Stellung, -
7 das Kühlmodul gemäß5 in einer dritten Stellung, -
8 das Kühlmodul gemäß5 in einer vierten Stellung, -
9 ein abgeändertes Ausführungsbeispiel für ein Kühlmodul mit variabler Zargengeometrie (erste Stellung), -
10 das Kühlmodul gemäß9 in einer zweiten Stellung, -
11 das Kühlmodul gemäß9 in einer dritten Stellung, -
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kühlmodul mit variabler Zargengeometrie, -
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kühlmodul mit Faltklappe, -
14 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kühlmodul mit faltbarer Zargenrückwand, -
15 ,15a ,15b Lüfter- und Widerstandskennlinien nach dem Stand der Technik und -
15c Lüfter- und Widerstandskennlinien für das erfindungsgemäße Kühlmodul mit variabler Zargengeometrie. -
1 zeigt ein Kühlmodul1 , welches einen Kühlmittelkühler2 und einen Ladeluftkühler3 , ein Kühlluftgebläse4 sowie eine Jalousie5 umfasst. Die Kühlkomponenten2 ,3 ,4 ,5 werden von einem nur schematisch dargestellten Rahmen bzw. einer Zarge6 aufgenommen, welche auch das Kühlluftgebläse4 , bestehend aus einem Lüfter4a und einem Elektromotor4b , sowie die Jalousie5 aufnimmt, welche hier als Klappenjalousie, bestehend aus einzelnen Klappen oder Lamellen5a ausgebildet ist. Kühlmittelkühler2 und Ladeluftkühler3 werden von Kühlluft, dargestellt durch die Pfeile L1, L2 angeströmt; sie sind in Luftströmungsrichtung nebeneinander bzw. übereinander angeordnet und werden daher parallel vom Luftstrom beaufschlagt. Der Luftstrom wird über eine Luftleiteinrichtung7 in Form eines Luftströmungskanals zugeführt, wobei das gesamte Kühlmodul1 im nicht dargestellten vorderen Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Zwischen dem Kühlluftgebläse4 und der Jalousie5 ist eine schwenkbare Klappe8 angeordnet, welche auf nicht dargestellte Weise an der Zarge6 befestigt sein kann. - Bei der dargestellten Position von geöffneter Jalousie
5 und senkrecht angeordneter Klappe8 kann ein maximaler Luftmassenstrom, hervorgerufen durch Staudruck bei Schnellfahrt des Kraftfahrzeuges, das Kühlmodul, insbesondere den Kühlmittelkühler2 und den Ladeluftkühler3 durchströmen. Der den Kühlmittelkühler2 durchströmende Luftstrom L2 tritt als Luftstrom L4 aus der Jalousie5 aus, und der den Ladeluftkühler3 durchströmende Luftstrom L1 tritt als Luftstrom L4 hinter dem Lüfter4a aus. Somit ist bei ausgeschaltetem Lüfter eine maximale Kühlwirkung für beide Wärmeübertragererzielbar. -
2 zeigt das Kühlmodul1 gemäß1 mit geschlossener Jalousie5 . Für gleiche Teile werden gleiche Bezugszahlen verwendet. Der Gesamtluftstrom, welcher in die Luftleiteinrichtung7 eintritt, teilt sich in einen Teilluftstrom L1, der den Ladeluftkühler3 durchströmt, und einen Teilstrom L2, welcher den Kühlmittelkühler2 durchströmt. Der aus dem Kühlmittelkühler2 austretenden Luftstrom L2 wird infolge der geschlossenen Jalousie5 nach oben umgelenkt und durch den Lüfter4a als Luftstrom L5 nach außen gefördert. Der Massenstrom L5 entspricht der Summe der Teilluftströme L1 und L2. In dieser Position kann ein maximaler Luftmassenstrom L5 bei Betrieb des Lüfters ohne Staudruckunterstützung4a erzielt werden, wobei der Luftaustrittsquerschnitt infolge der geschlossenen Jalousie5 reduziert ist. -
3 zeigt das Kühlmodul1 mit geschlossener Jalousie5 und waagerecht angeordneter Klappe8' . Der Luftstrom, welcher das Kühlmodul1 durchsetzt, ist durch einen Eintrittspfeil L1 und durch einen Austrittspfeil L5 dargestellt, wobei lediglich der Ladeluftkühler3 von Luft durchströmt wird. Der Kühlmittelkühler2 ist luftseitig durch die als Trennwand wirkende Klappe8' abgeschottet, bei gleichzeitig geschlossener Jalousie5 , so dass keine Durchströmung mit Kühlluft möglich ist. Die in der Zeichnung waagerecht dargestellte Klappenposition8' liegt auf Höhe der Trennfuge zwischen Kühlmittelkühler2 und Ladeluftkühler3 und leitet somit den austretenden Ladeluftstrom durch den Lüfter4a . Die dargestellte Position ist insbesondere bei mangelndem Kühlbedarf des Kühlmittelkühlers2 , also beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen von Vorteil. Ein Auskühlen des Kühlmittelkühlers und eine zu starke Absenkung der Kühlmitteltemperatur werden dadurch verhindert. -
4 zeigt das Kühlmodul1 mit waagerecht angeordneter Klappe8' und geöffneter Jalousie5 . Durch diese Konfiguration erfolgt eine strikte Trennung der beiden eintretenden Luftströme L1, L2 in einen Lüfteraustrittsstrom L3 und einen aus der Jalousie5 austretenden Luftstrom L4. Die Kühlung des Kühlmittelkühlers2 wird somit durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. den Staudruck bestimmt, während die Kühlung des Ladeluftkühlers3 durch den vom Lüfter4a geförderten und durch Staudruck unterstützen Luftstrom L3 bestimmt ist. - Das in den Zeichnungen dargestellte Kühlmodul ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel – Abwandlungen sind möglich. Beispielsweise können zusätzliche oder andere Wärmeübertrager vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Jalousie in Luftströmungsrichtung vor den Wärmeübertragern angeordnet sein. Weiterhin kann die Klappe
8 als Trennwand in Luftströmungsrichtung vor den Wärmeübertragern angeordnet sein und den Gesamtluftstrom in Teilluftströme oder Strömungspfade aufteilen, die den einzelnen Wärmeübertragern zugeordnet sind. Auch damit lässt sich eine gezielte Regelung des Luftmassenstromes für einzelne Wärmeübertrager, also selektiv durchführen. -
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein Kühlmodul9 mit einer Luftleiteinrichtung7 für den Eintritt von Kühlluft, einem Kühl mittelkühler2 und einem Ladeluftkühler3 , die über- bzw. nebeneinander angeordnet und parallel vom Luftstrom, dargestellt durch die Pfeile L, beaufschlagt werden. Die beiden Wärmeübertrager2 ,3 sind in einer Zarge10 mit variabler Geometrie aufgenommen und befestigt. Die Zarge10 weist eine Rückwand10a auf, die das Kühlgebläse4 , bestehend aus Lüfter4a und Motor4b , aufnimmt. In der Rückwand10a sind außerhalb des Querschnittes des Lüfters4a zwei Stauluftöffnungen11 ,12 angeordnet, welche durch schwenkbare Klappen13 ,14 kontrollierbar sind. In der dargestellten Position der Klappen13 ,14 , d. h. in waagerechter Stellung bzw. in Luftströmungsrichtung sind beide Stauluftöffnungen11 ,12 geöffnet, so dass aus beiden Öffnungen11 ,12 jeweils ein Luftmassenstrom V.K austritt, welcher durch den vor den Wärmeübertragern2 ,3 herrschenden Staudruck bestimmt ist. Der Ansaugquerschnitt des Lüfters4a ist durch diese Klappenstellung auf ein Minimum Amin reduziert. Der vom Lüfter4a geförderte, innerhalb der Klappen13 ,14 angesaugte Luftmassenstrom ist durch einen Pfeil V.L dargestellt. Die dargestellte Konfiguration ist vorteilhaft bei Schnellfahrt des Kraftfahrzeuges und lässt einen maximalen Massenstrom durch beide Wärmeübertrager2 ,3 bzw. das Kühlmodul zu, wobei sich der Lüfter4a im Arbeitspunkt befindet, d. h. er kann dem von ihm angesaugten und geförderten Luftstrom eine hydraulische Energie zuführen. Dies bedeutet unter Umständen einen hohen Wirkungsgrad. -
6 zeigt das Kühlmodul9 gemäß5 mit einer veränderten Klappenstellung: die obere Klappe14 ist in eine in der Zeichnung vertikale Stellung verschwenkt und verschließt somit die obere Stauluftöffnung12 . Die untere Klappe13 dagegen befindet sich in einer horizontalen Stellung und gibt somit die Stauluftöffnung11 frei, aus welcher ein Luftmassenstrom V.K austritt. Der Ansaugquerschnitt des Lüfters4a ist somit auf einen Zwischenquerschnitt Az reduziert bzw. gegenüber dem Querschnitt Amin gemäß5 erweitert. Diese Klappenkonfiguration ist für Bergfahrt vorteilhaft, wobei ein maximaler Massenstrom durch den Ladeluftkühler3 gefördert wird. Der Lüfter4a befindet sich auch hier in seinem Arbeitspunkt und kann ein Druckgefälle aufbauen. -
7 zeigt das Kühlmodul9 mit einer geänderten Klappenkonfiguration: Die Klappen13 ,14 befinden sich beide in Schließposition, d. h die Stauluftöffnungen11 ,12 sind geschlossen, so dass die Lüfterzarge10 ihren maximalen Ansaugquerschnitt Amax aufweist, welcher der stromabwärtigen Stirnfläche der beiden Wärmeübertrager2 ,3 entspricht. Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft bei Stillstand des Fahrzeuges, d. h. ohne Staudruck: der Lüfter4a befindet sich im Arbeitspunkt und fördert einen maximalen Luftmassenstrom V.L durch beide Wärmeübertrager2 ,3 bzw. das Kühlmodul. -
8 zeigt das Kühlmodul9 mit der Klappe13 in geschlossener und der Klappe14 in offener Stellung, so dass die obere Stauluftöffnung12 geöffnet ist und einen durch Staudruck induzierten Luftmassenstrom V.K zulässt. Der Ansaugquerschnitt Az entspricht dem in6 , mit dem Unterschied, dass hier der Kühlmittelkühler2 voll vom Lüfterstrom beaufschlagt wird. Diese Konfiguration ist vorteilhaft für Bergfahrt bei einem maximalen Luftmassenstrom durch den Kühlmittelkühler2 und reduziertem Massenstrom durch den Ladeluftkühler3 . Der Lüfter4a befindet sich auch hier in seinem Arbeitspunkt. - Wie die verschiedenen Klappenstellungen in den
5 bis8 zeigen, besitzt das Kühlmodul9 eine „variable Zargengeometrie", d. h. der Luftansaugquerschnitt und der Querschnitt der Stauluftöffnungen sind verstellbar; dabei dichten die Klappen in ihrer waagerechten Position jeweils mit ihren Vorderkanten an der Rückseite des Wärmetauschernetzes ab. -
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich ein Kühlmodul15 mit einem Block16 von verschiedenen, nicht näher dargestellten Wärmeübertragern, z. B. Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler, Kältemittelkondensator, Ölkühler u. a.. Der Block16 weist eine Stirnfläche16a auf, durch welche der Luftstrom, dargestellt durch den Pfeil L eintritt, sowie eine Luftaustrittsfläche16b , welche der Stirnfläche16a entspricht. Der Block16 ist in einer Zarge17 aufgenommen, welcher eine Rückwand17a mit einem Lüfter4a aufweist. Im in der Zeichnung oberen Teil der Rückwand17a sind zwei nebeneinander angeordnete Stauluftöffnungen18 ,19 angeordnet, welche jeweils durch eine Schwenkklappe20 ,21 kontrollierbar sind. In der dar gestellten waagerechten Position der Klappen20 ,21 werden die Stauluftöffnungen18 ,19 freigegeben, so dass ein Stauluftstrom, dargestellt durch die Pfeile V.K austritt. Die Klappen20 ,21 liegen mit ihren stromaufwärtigen Kanten an der Rückseite16b des Blockes16 an und bewirken somit eine Abdichtung und eine Trennung der Luftströme, welche einerseits durch den Lüfter4a und andererseits durch den Staudruck gefördert werden. Die dargestellte Position der Klappen20 ,21 ist vorteilhaft bei Schnellfahrt und ergibt einen maximalen Luftmassenstrom durch das Kühlmodul15 , wobei sich der Lüfter4a im Arbeitspunkt befindet. -
10 zeigt das Kühlmodul15 gemäß9 mit einer veränderten Klappenstellung. Die äußere Klappe20 ist in waagerechter und die innere Klappe21 in etwa senkrechter Stellung, so dass lediglich die äußere Stauluftöffnung18 geöffnet ist und einen staudruckinduzierten Luftstrom V.K durchlässt. Der Ansaugquerschnitt des Lüfters4a weist somit eine Zwischenstellung Az auf, welche zwischen dem maximalen und dem minimalen Ansaugquerschnitt liegt. Die Klappe20 dichtet mit ihrer Vorderkante den Ansaugstrom gegenüber der Rückseite16b des Modulblockes16 ab. Die dargestellte Position der Klappen ist vorteilhaft für Bergfahrt, d. h. bei geringerem Staudruck und erlaubt einen maximalen Luftmassenstrom durch das Modul16 , welcher sich aus dem Lüfterstrom V.L und dem Stauluftstrom V.K zusammensetzt. -
11 zeigt das Kühlmodul15 mit einer dritten Klappenstellung, nämlich mit geschlossenen Klappen20 ,21 . Der Ansaugquerschnitt des Lüfters4a ist damit auf den maximalen Querschnitt Amax erweitert und entspricht der rückseitigen Stirnfläche16b des Blockes16 . Die dargestellte Schließposition der Klappen20 ,21 ist vorteilhaft bei Fahrzeugstillstand, d. h. ohne Staudruckes ergibt sich ein maximaler Luftmassenstrom V.L durch den Block16 , der ausschließlich vom Lüfter4a gefördert wird. Der Lüfter4a befindet sich im Arbeitspunkt. Die drei dargestellten Klappenpositionen gemäß9 ,10 und11 zeigen die variable Zargengeometrie in einer stufenweisen Veränderung vom minimalen Ansaugquerschnitt Amin über den Zwischenquerschnitt Az bis zum maximalen Ansaugquerschnitt Amax. In jedem Betriebspunkt, d. h. bei Schnellfahrt, bei Bergfahrt und bei Fahrzeugstillstand arbeitet der Lüfter im Arbeitspunkt mit einem relativ hohen Wirkungsgrad. -
12 zeigt das Kühlmodul15 mit einer Geschwindigkeitsverteilung v über der Stirnfläche des Modulblockes16 , welcher aus einem stromabwärts gelegenen Kühlmittelkühler22 , einem stromaufwärts gelegenen Ladeluftkühler23 und einem neben dem Ladeluftkühler23 angeordneten Motorölkühler24 aufgebaut ist. Der Motorölkühler24 weist eine Stirnfläche24a und der Ladeluftkühler23 eine Stirnfläche23a auf. Die Stirnfläche24a entspricht etwa dem Querschnitt der beiden Stauluftöffnungen18 ,19 und die Stirnfläche23a dem Ansaugquerschnitt des Lüfters4a . Die Geschwindigkeitsverteilung v über der gesamten Modulstirnfläche ist für maximale Geschwindigkeit des Fahrzeuges dargestellt. Infolge der geöffneten Stauluftöffnungen18 ,19 ergibt sich über der Stirnfläche24a des Motorölkühlers24 die Geschwindigkeit vK, während sich über der Stirnfläche23a des Ladeluftkühlers23 eine erhöhte Geschwindigkeit vL einstellt. Dies ist durch den Energiezuwachs bedingt, den der Massenstrom vom im Arbeitspunkt arbeitenden Lüfter4a erhält. Der Ladeluftkühler23 erhält somit bei Schnellfahrt, d. h. bei einer erhöhten Kühlleistungsanforderung an den Ladeluftkühler einen erhöhten Kühlluftmassenstrom. Wie aus der unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilung ersichtlich, erfolgt gleichzeitig eine Aufteilung der Strompfade für die beiden nebeneinander angeordneten Wärmeübertrager23 ,24 , die somit hinsichtlich ihrer Kühlleistung durch einen angepassten Luftmassenstrom regelbar sind. -
13 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kühlmodul25 mit variabler Zargengeometrie in Form einer so genannten Faltklappe26 , welche in die Rückwand der Zarge integriert ist. An einen Modulblock27 schließt eine Zargenrückwand28 an, in welcher der Lüfter4a umläuft. Die Faltklappe26 ist in die Zargenrückwand28 derart integriert, dass durch unterschiedliche Faltungen unterschiedliche Ansaugquerschnitte für den Lüfter4a und gleichzeitig unterschiedliche Querschnitte für die Stauluftöffnungen freigegeben werden. In der Zeichnung sind drei Stellungen26a (gestrichelt),26b (punktiert) und26c (durchgezogen) dargestellt. Die Stellung26c ist durch einen minimalen Ansaugquerschnitt Ac für den Lüfter4a und eine maximale Stauluftöffnung gekennzeichnet. Die Stellung26b der Faltklappe26 bewirkt einen mittleren Ansaugquerschnitt Ab und eine Stauluftöffnung von mittlerem Querschnitt. Bei der Stellung26a ist die Zargenrückwand28 rückwärtig völlig geschlossen, d. h. der Lüfteransaugquerschnitt Aa ist maximal, und der gesamte durch den Modulblock27 angesaugte Lüfterstrom wird vom Lüfter4a gefördert. Wie in den vorherigen Ausführungsbeispielen dichtet auch hier die Faltklappe26 mit ihrer stromaufwärtigen Kante den Luftstrom an der Rückseite des Modulblockes27 ab. Zwischen den dargestellten Positionen26a ,26b ,26c sind Zwischenstellungen möglich, so dass insgesamt eine kontinuierliche, d. h. stufenlose Verstellung des Ansaugquerschnittes, verbunden mit einer entsprechenden Änderung der Stauluftöffnung, möglich ist. Dadurch wird für die verschiedenen Betriebspunkte, Leerlauf, Bergfahrt und Schnellfahrt sichergestellt, dass der Lüfter im Arbeitspunkt arbeitet und ein erhöhter Luftmassenstrom erzielt wird. -
14 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Kühlmodul29 mit einem aus diversen, nicht dargestellten Komponenten bestehenden Modulblock30 und einer variablen Zargengeometrie in Form einer faltbaren Rückwand31 , welche auch den Lüfter4a aufnimmt. Die Zargenrückwand31 ist quer zur Luftströmungsrichtung nach Art eines Faltenbalges faltbar und weist an ihrem freien Ende ein ebenfalls quer zur Luftströmungsrichtung L verschiebbares Trenn- und Dichtelement32 auf. Das Trenn- und Dichtelement weist eine vordere Dichtkante32a auf, welche an der Luftaustrittsfläche30a des Modulblockes30 gleitet und somit eine Abdichtung des vom Lüfter4a angesaugten Luftstromes bewirkt. Außerhalb des Dicht- und Trennelementes32 , d. h. auf der dem Lüfter4a abgewandten Seite wird eine Stauluftöffnung33 geschaffen, die einen Stauluftstrom V.K ermöglicht. Die faltbare Zargenrückwand31 in Verbindung mit dem Dicht- und Trennelement32 erlaubt eine stufenlose Verstellung des Lüfteransaugquerschnittes und der Stauluftöffnung33 . Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch eine andere, äquivalente Ausbildung der Zargenrückwand möglich, z. B. als Roll- oder Wickeljalousie oder in Form von faltbaren Klappen nach dem Stand der Technik. -
15 zeigt ein Diagramm mit einer Lüfterkennlinie LKL (durchgezogen) sowie einer Widerstandskennlinie WKL, wobei der statische Druck ΔPST über dem Luftmassenstrom V.L aufgetragen ist. Der Schnittpunkt der Widerstandkennlinie und der Lüfterkennlinie ist der Arbeitspunkt, der mit AP be zeichnet ist. Das Diagramm zeigt eine Widerstandskennlinie ohne Staudruckunterstützung. Der Lüfter fördert im Arbeitspunkt einen Volumenstrom, der mit V.L eingezeichnet ist. Gleichzeitig wird im Arbeitspunkt ein positives ΔP erzeugt. -
15a zeigt eine Lüfterkennlinie LKL und eine Widerstandskennlinie WKL mit Staudruckunterstützung, d. h. gegenüber15 ist die Widerstandskennlinie WKL in den negativen Bereich abgesenkt; ebenso befindet sich der Arbeitspunkt AP im negativen Druckbereich, d. h. der Lüfter wird vom Staudruck „überblasen" und kann dem Luftmassenstrom keine Energie mehr zuführen. Die rechte Seite der15a zeigt das entsprechende Kühlmodul mit Modulblock34 , Lüfterzarge35 und Lüfter36 . Die Pfeile v stellen die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Modulblock34 dar, d. h. eine homogene Verteilung. -
15b zeigt eine weitere Lüfterkennlinie LKL und zwei unterschiedliche Widerstandskennlinien, dargestellt durch unterschiedliche Symbole (Quadrate und Dreiecke). Der rechte Teil der15b zeigt das zugehörige Kühlmodul mit Block34 , Zarge35 , Lüfter36 sowie mit Staudruckklappen37 in der Rückwand der Zarge35 . Die steilere Widerstandskennlinie WKL betrifft den Teil des Modulblockes34 , welcher vom Stauluftstrom V.K durchströmt wird. Die flachere Widerstandskennlinie WKL betrifft den unteren Teil des Modulblockes34 , welcher vom Lüfterstrom V.L durchströmt wird. Eine gepunktete Stromfadenlinie38 stellt die Trennungslinie zwischen Stauluftstrom und Lüfterstrom dar. Es ergibt sich ein Gesamtluftmassenstrom V.ges = V.L + V.K. Der Lüfterstrom und der Stauluftstrom addieren sich somit zum Gesamtstrom. Der Schnittpunkt der flacheren Widerstandskennlinie WKL mit der Lüfterkennlinie, d. h. der Arbeitspunkt AP liegt bei einem statischen Druck von 0, d. h. der Lüfter fügt dem Luftstrom keine Energie zu. Die15 ,15a ,15b beschreiben den bekannten Stand der Technik. -
15c zeigt demgegenüber die Wirkungsweise der Erfindung für einen Modulblock39 , an welchen eine Zarge40 mit variabler Geometrie anschließt, d. h. mit einem für den Lüfter41 verstellbaren Ansaugquerschnitt. Der Modulblock39 ist durch ein Trenn- und Dichtelement40a der Zarge40 in zwei Teilblöcke, einen unteren Teilblock39a und einen oberen Teilblock39b unterteilt und rückwärtig abgedichtet. Der Teilblock39a wird von einem Lüfterstrom V.L durchströmt, welcher, unterstützt vom Staudruck, durch den Lüfter41 gefördert wird. Der obere Teilblock39b wird durch einen staudruckinduzierten Bypassstrom V.K durchströmt, wobei sich, dargestellt durch die unterschiedliche Länge der Pfeile v, eine geringere Strömungsgeschwindigkeit für den Teilblock39b als für den Teilblock39a ergibt. Das in der15c links angeordnete Diagramm zeigt eine Lüfterkennlinie LKL sowie zwei etwas differierende Widerstandskennlinien WKL, die obere (Quadrate) gilt für den oberen Teilblock39b und die untere Widerstandskennlinie (Dreiecke) für den unteren Teilblock39a . Der entsprechende Schnittpunkt mit der Lüfterkennlinie LKL ist der Arbeitspunkt AP des Lüfters41 , der einen Lüfterstrom V.L erzeugt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass der Arbeitspunkt AP im positiven Druckbereich liegt, d. h. der Lüfter führt der Strömung Energie zu. Bedingt durch den Staudruck des Fahrzeuges, ergibt sich für den oberen Teilblock39b der Bypassstrom V.K als Schnittpunkt der oberen Widerstandskennlinie WKL mit der Abszisse (ΔP = 0). Beide Massenströme V.K und V.L addieren sich zu einem Gesamtluftmassenstrom V.Ges, welcher größer ist als der Gesamtstrom beim Stand der Technik, wie er in15b als Vergleich dargestellt ist. Durch die erfindungsgemäße variable Zargengeometrie kann eine Anpassung des Kühlmoduls an die jeweiligen Betriebsverhältnisse (Leerlauf, Bergfahrt, Schnellfahrt) in der Weise erreicht werden, dass der Lüfter im Arbeitspunkt arbeitet und gleichzeitig eine Erhöhung des Gesamtmassenstromes stattfindet.
Claims (22)
- Anordnung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere Kühlmodul (
1 ), bestehend aus einer – Luftleiteinrichtung (7 ,6 ) zur Luftführung mit einem Gesamtströmungsquerschnitt, – mindestens einem Wärmeübertrager (2 ,3 ) zur Kühlung eines Fluidstromes, – einer Luftfördereinrichtung (4 ,4a ,4b ) sowie – einer im Luftstrom angeordneten Einrichtung zur Regelung des Luftmassenstromes (Luftregeleinrichtung), dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom in mindestens einem Teilquerschnitt des Gesamtströmungsquerschnittes durch die Luftregeleinrichtung regelbar ist. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmeübertrager (
2 ,3 ;23 ,24 ) im Luftstrom nebeneinander angeordnet und parallel vom Luftstrom beaufschlagbar sind. - Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Teilquerschnitt ein Teilluftstrom zugeordnet ist, durch welchen ein Wärmeübertrager (
2 ;24 ) beaufschlagbar ist. - Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilluftstrom durch eine in Luftströmungsrichtung verlaufende Trennwand abteilbar ist.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftregeleinrichtung in Luftströmungsrichtung vor den Wärmeübertragern (
2 ,3 ) angeordnet ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftregeleinrichtung (
5 ) in Luftströmungsrichtung hinter dem Wärmeübertrager (2 ) angeordnet ist. - Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftregeleinrichtung (
5 ) in einer Zarge (6 ) angeordnet ist. - Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zarge (
6 ) ein Kühlluftgebläse (4 ) angeordnet ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftregeleinrichtung als Jalousie (
5 ) ausgebildet ist. - Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Jalousie (
5 ) und dem Kühlluftgebläse (4 ) eine Schwenkklappe (8 ) angeordnet ist, durch welche ein den Wärmeübertrager (2 ) durchströmender Teilluftstrom (L2) absperrbar oder trennbar ist. - Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Wärmeübertrager als Kühlmittelkühler (
2 ) zur Kühlung einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist. - Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Wärmeübertrager als Ladeluftkühler (
3 ) ausgebildet ist. - Anordnung zur Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges, insbesondere Kühlmodul (
9 ,15 ,26 ,29 ), bestehend aus einer – Luftleiteinrichtung (7 ) zur Luftführung, – mindestens einem Wärmeübertrager (2 ,3 ;16 ;22 ,23 ,24 ) zur Kühlung eines Fluidstromes sowie – einer Luftfördereinrichtung (4 ,4a ,4b ), dadurch gekennzeichnet, dass die Luftleiteinrichtung eine Zarge (10 ,17 ) mit variablem Ansaugquerschnitt aufweist, welcher zwischen einem Maximum (Amax) und einem Minimum (Amin) veränderbar ist, und dass die Differenzfläche zwischen maximalem und minimalem Ansaugquerschnitt zumindest teilweise als Stauluftöffnung (11 ,12 ,18 ,19 ) nutzbar ist. - Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugquerschnitt in Stufen veränderbar ist.
- Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugquerschnitt stufenlos veränderbar ist.
- Anordnung nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zarge (
10 ,17 ) mindestens eine Klappe (13 ,14 ;20 ,21 ;26 ) zur Verstellung des Ansaugquerschnittes aufweist. - Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Klappe (
13 ,14 ;20 ,21 ) schwenkbar in der Rückwand (10a ,17a ) der Zarge (10 ,17 ) angeordnet ist. - Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Klappe (
13 ,14 ;20 ,21 ) in den äußeren Bereichen der Zargenrückwand (10a ,17a ) angeordnet ist. - Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Klappen (
13 ,14 ;20 ,21 ) vorgesehen sind, die unabhängig voneinander, insbesondere nacheinander verschwenkbar sind. - Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Klappe als Faltklappe (
26 ,26a ,26b ,26c ) ausgebildet und in die Rückwand (28 ) der Zarge integriert ist. - Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lüfter (
4a ) hinter den Wärmeübertragern (2 ,3 ;16 ;27 ) ansaugbare Luftstrom durch die mindestens eine Klappe (13 ,14 ;20 ,21 ;26 ) gegenüber den Wärmeübertragern (2 ,3 ;16 ,16b ;27 ) abdichtbar ist. - Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zarge eine faltbare Rückwand (
31 ) mit einem verschiebbaren Trenn- und Dichtelement (32 ) aufweist, welches den Ansaugquerschnitt begrenzt und den Ansaugstrom abdichtet.
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