DE102006037641A1

DE102006037641A1 - Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102006037641A1
Application number: DE102006037641A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Blaß; Ulrich Vollert
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: EP1890018A1; DE102006037641B4; US20080035316A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (2), umfassend einen von Luft durchströmbaren Kühlmittelkühler (5), einen in Luftströmungsrichtung (L) hinter dem Kühlmittelkühler (5) angeordneten Axiallüfter (3), eine zwischen dem Kühlmittelkühler (5) und dem Axiallüfter (3) angeordnete Zarge (6) mit einem Zargenring (7), in welchem der Axiallüfter (3, 3b) drehbar angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass der Zargenring (7) luftabströmseitig radial zu einer Strömungsleiteinrichtung (8) erweitert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Durch die DE 33 04 297 C2 der Anmelderin wurde eine Kühlvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Axiallüfter bekannt, welcher motorfest angeordnet und von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges antreibbar ist. Der Axiallüfter saugt Luft durch einen Kühlmittelkühler, an dessen Rückseite eine Kühlerzarge zur Kanalisierung der Luftströmung befestigt ist. Der Axiallüfter weist eine Axialbeschaufelung mit einem äußeren Leitring (Mantel) auf, welcher entgegen der Strömungsrichtung über die Schaufelvorderkanten vorsteht und in eine motorfeste Einlaufdüse hineinragt. Durch diese Kombination von Einlaufdüse und vorstehendem Leitring wird ein Ringspalt mit einer 180-Grad-Umlenkung geschaffen, welcher einen stark gedrosselten Spaltluftstrom erzeugt. Der Leitring ist in seinem stromabwärtigen Bereich radial erweitert und kann zusätzlich auch ein Diffusorteil aufweisen. Aufgrund einer starken Drosselung weist der Axiallüfter eine halbaxiale Strömung auf, welche durch den erweiterten Bereich des Leitringes und den Diffusorteil unterstützt bzw. verstärkt wird. Bedingt durch den motornahen Einbau des Axiallüfters, kann es bei der bekannten Anordnung zur Rezirkulation der austretenden Lüfterströmung kommen, d. h. zu einer Wiederansaugung durch den Kühler, wodurch die Kühlleistung beeinträchtigt wird.
Durch die DE 42 22 264 A1 wurde eine Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Elektrolüfter, d. h. mit einem elektromotorisch angetriebenen Lüfter bekannt. Bei dieser bekannten Bauart sind der Elektromotor und der Axiallüfter (das Axialgebläse) über Streben, einen Zargenring und eine Kühlerzarge kühlerseitig befestigt. Der Zargenring weist einen zylindrischen Teil auf, in welchem der Axiallüfter umläuft, und eine sich an den zylindrischen Teil stromabwärts anschließende diffuse Aufweitungsfläche. Weitere Angaben über die Ausbildung, Dimensionierung und den Zweck der diffusen Aufweitungsfläche sind der Druckschrift nicht zu entnehmen. In Übereinstimmung mit der zeichnerischen Darstellung wird der Fachmann daher von einem klassischen Diffusor mit einem Öffnungswinkel von ca. 7 Grad gegenüber der Axialrichtung ausgehen. Dies bedeutet, dass die Abströmung der Luft hinter dem Axiallüfter axial gerichtet ist, d. h. es findet keine Umlenkung, sondern lediglich eine Verzögerung der Strömung statt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich der Lüftercharakteristik zu verbessern und darüber hinaus eine Rezirkulation der aus dem Lüfter austretenden Luftströmung zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Zargenring abströmseitig radial zu einer trichterförmigen Strömungsleiteinrichtung erweitert. Die aus dem Lüfter austretende Strömung, eine Halbaxial- bzw. Halbradialströmung (Strömung mit axialer und mit radialer Komponente), wird durch die Strömungsleiteinrichtung nach außen, d. h. in radiale Richtung weiter umgelenkt. Damit wird verhindert, dass die Abströmung hinter dem Lüfter frontal auf den Motorblock und andere Aggregate hinter dem Lüfter auftrifft und sich dort staut. Durch die radiale Umlenkung der Strömung wird auch eine Rezirkulation, d. h. ein Wiedereintritt der Luftströmung in den Kühler unterbunden, wodurch die Kühlleistung verbessert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die radiale Erweiterung der Strömungsleiteinrichtung ist durch einen Öffnungswinkel gekennzeichnet, der mindestens 55 Grad, vorzugs weise 60 Grad und mehr gegenüber der axialen Richtung beträgt. Die radiale Erweiterung kann in einer Stufe durch eine konische Fläche mit einem Öffnungswinkel oder in mindestens zwei Stufen durch mindestens zwei aneinander anschließende konische Flächen mit wachsenden Öffnungswinkeln oder trompeten- oder glockenförmig erfolgen. Damit findet eine relativ starke Erweiterung statt, die die bereits im Lüfter vorhandene halbradiale Strömung weiter in radiale Richtung verstärkt. Es wird somit auf relativ kurzem axialen Bauraum eine relativ starke Umlenkung erreicht. Der Öffnungswinkel α kann auch über den Umfang variabel gestaltet werden, wenn die Abströmbedingungen hinter dem Lüfter, z. B. aufgrund von an der Brennkraftmaschine angeordneten Nebenaggregaten unterschiedlich sind.
Vorteilhafterweise ist die Strömungsleiteinrichtung durch einen maximalen Außendurchmesser am stromabwärtigen Ende gekennzeichnet, der mindestens das 1,1-fache, vorzugsweise das 1,15-fache des Lüfterdurchmessers beträgt. Damit kann in dem im Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraum eine maximale Umlenkung der Abströmung erreicht werden.
Die Lüfterschaufeln können entweder innerhalb des zylindrischen Bereiches des Zargenringes umlaufen, oder sie können einen stromabwärtsseitigen Blattüberstand aufweisen, der in den erweiterten Bereich der Strömungsleiteinrichtung hineinragt. Damit wird der Vorteil erreicht, dass die halbaxiale Strömung in den außen liegenden Blatt- bzw. Blattspitzenbereichen besser abfließen kann und sich sofort – ohne Ablösung – an die Innenwand der Strömungsleiteinrichtung anlegt; die Strömung wird stabilisiert.
Zur weiteren Verbesserung der Lüftercharakteristik ist eine an sich bekannte Einlaufdüse am Zargenring vorgesehen, welche mit einem an den Blattspitzen befestigten Leitring bzw. Mantel zusammenwirkt. Dadurch wird ein Ringspalt und demzufolge eine Spaltströmung mit 180-Grad-Umlenkung erzeugt. Die Spaltströmung im Ringspalt ist entgegen der Hauptaxialströmung im Lüfter gerichtet und saugt Luft aus dem Abströmbereich an. Vorteilhaft hierbei ist auch, dass durch die Absaugung infolge der Spaltströmung eine höhere Verzögerung im Abströmbereich erzielt wird (Effekt der Grenzschichtabsaugung).
Die halbaxiale Abströmung und die radiale Umlenkung der Abströmung nach außen kann durch einen sich radial erweiternden Mantel des Lüfters unterstützt werden, d. h. einen sich diffusorartig erweiternden Mantel. Die Neigung zur Ablösung der Strömung wird damit verringert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zargenring motorfest angeordnet, d. h. am Block der Brennkraftmaschine befestigt. Dadurch ergeben sich Relativbewegungen zwischen der Zarge und dem Kühler bzw. zwischen Zargenring und Zarge. Die Relativbewegungen werden vorteilhafterweise durch flexible oder bewegliche Dichtmittel in Form von Lippen oder Faltenbalgen kompensiert.
Der Axiallüfter ist ebenfalls motorfest angeordnet und wird vorzugsweise über eine Flüssigkeitsreibungskupplung durch die Brennkraftmaschine angetrieben. Damit ergeben sich zwischen Zargenring und Lüfterblattspitzen bzw. Lüftermantel minimale Spalte.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit motorfestem Axiallüfter und Kühler,
2 eine abgewandelte Ausführungsform des Axiallüfters gemäß 1,
3 eine weitere Ausführungsform der Kühlvorrichtung mit Mantellüfter und integrierter Einlaufdüse und
4 eine weitere Ausführungsform einer Strömungsleiteinrichtung mit einem über den Umfang variablen Öffnungswinkel α.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 für ein Kraftfahrzeug, welches einen Motorblock 2 aufweist, an welchem ein Axiallüfter 3 befestigt und gelagert ist. Der Axiallüfter 3 weist eine Lüfternabe 3a mit einer Axialbeschaufelung 3b und einer Rotationsachse a auf. Die Lüfternabe 3a ist an einer nicht dargestellten Flüssigkeitsreibungskupplung befestigt, welche über einen Riementrieb 4 angetrieben wird (ein direkter Antrieb über die Kurbel welle der Brennkraftmaschine ist ebenso möglich). Auf der dem Motorblock 2 abgewandten Seite des Axiallüfters 3 ist ein Kühlmittel/Luftkühler 5, im Folgenden Kühler genannt, angeordnet, welcher – was nicht dargestellt ist – gegenüber der Karosserie des Kraftfahrzeuges (z. B. den Längsträgern) abgestützt ist. Zwischen Kühler 5 und Motorblock 2 treten daher Relativbewegungen auf. Der Kühler 5 wird von Luft, dargestellt durch einen Pfeil L, durchströmt. Abströmseitig schließt sich an den Kühler 5 eine Zarge 6 an, die haubenartig ausgebildet ist und die aus dem Kühler 5 austretende Luftströmung dem Axiallüfter 3 zuführt. Letzterer ist von einem Zargenring 7 umgeben, der auf seiner Innenseite zylindrisch ausgebildet ist und an den sich in stromabwärtiger Richtung eine sich trichterförmig erweiternde Strömungsleiteinrichtung 8 anschließt. Der Zargenring 7 und die Strömungsleiteinrichtung 8 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet. Am stromaufwärtigen Teil des Zargenringes 7 ist eine elastische Lippe 7a angeordnet, welche sich an die Zarge 6 anlegt und auf dieser gleiten kann. Der Zargenring 7 ist – was nicht dargestellt ist – am Motorblock 2 befestigt, während die Zarge 6 über ein elastisches Befestigungselement 6a am Kühler 5 befestigt ist. Der Lüfter 3 bzw. seine Beschaufelung 3b weist einen Außendurchmesser D_L auf Die Strömungsleiteinrichtung 8 weist an ihrem stromabwärtigen Ende einen Außendurchmesser D_A auf. Die beiden Durchmesser D_A, D_L _, genügen folgender Ungleichung: 1,1 ≤ D_A/D_L ≤ 1,4, insbesondere 1,15 ≤ D_A/D_L _. Die Strömungsleiteinrichtung 8 weist eine konische Fläche 8a auf, welche mit der Axialrichtung (Rotationsachse a) einen Winkel α bildet, welcher das Maß der radialen Erweiterung der Strömungsleiteinrichtung 8 kennzeichnet. Dieser so genannte Öffnungswinkel α ist größer als 55 Grad, vorzugsweise größer als 60 Grad gewählt. Mit den beiden vorgenannten Dimensionierungseinheiten D_A/D_L und dem Öffnungswinkel α ist die Geometrie der Strömungsleiteinrichtung 8 bestimmt. Der Übergang vom zylindrischen Bereich des Zargenringes 7 zum konischen Bereich 8a ist vorzugsweise gerundet, d. h. strömungsgünstig ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung 8, 8a hat die Wirkung, dass die aus dem Lüfter 3b austretende Luftströmung – dargestellt durch einen gestrichelten Strömungspfeil P – in radiale Richtung nach außen umgelenkt wird. Damit wird einerseits ein Stau der Luftströmung vor dem Motorblock 2 und andererseits eine Rezirkulation, d. h. eine Rückströmung in Richtung Kühlereintritt 5 vermieden.
2 zeigt eine Kühlvorrichtung 9, ähnlich wie die Kühlvorrichtung 1 1, allerdings mit einem abgewandelten bzw. axial versetzten Axiallüfter 10 mit einer Nabe 10a und einer Axialbeschaufelung 10b. Die Schaufeln 10b weisen in Strömungsrichtung der Luft einen Schaufelüberstand ü gegenüber dem zylindrischen Teil der Zarge 7 auf, d. h. die Schaufeln 10b erstrecken sich mit ihrem Überstand ü in den radial erweiterten konischen Bereich 8a der Strömungsleiteinrichtung B. Durch einen gestrichelten Strömungspfeil S ist der Verlauf der halbaxialen Strömung über die Schaufelblätter 10b und die Abströmung in den Bereich der Strömungsleiteinrichtung 8 dargestellt. Diese Variante mit Schaufelüberstand ü unterstützt eine verlustarme Abströmung mit anschließender radialer Umlenkung und stabilisiert die Strömung.
3 zeigt als weitere Ausführungsform der Erfindung eine Kühlvorrichtung 11, bei welcher eine Zarge 12, ein Zargenring 13 und eine Strömungsleiteinrichtung 14 einstückig als Kunststoffspritzteil ausgebildet sind. Darüber hinaus ist im Eintrittsbereich des Zargenringes 13 eine Einlaufdüse 15 angespritzt, wie sie in ähnlicher Form im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben ist. Der Axiallüfter 16 ist als so genannter Mantellüfter ausgebildet, d. h. am Umfang der Schaufeln 16b ist ein Mantel bzw. Leitring 17 angeordnet und mit den Schaufelspitzen verbunden. Wie ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, weist der Leitring 17 einen eingangsseitigen Überstand auf, welcher in die Einlaufdüse 15 hineinragt. Dadurch wird eine 180-Grad-Umlenkung erreicht. Der Leitring 17 weist einen abströmseitigen Teil 17b auf, der konisch erweitert ist und einen Übergang zu der sich anschließenden Strömungsleiteinrichtung 14 bildet. Zwischen Leitring 17 und Zargenring 13 wird somit ein Ringspalt 18 gebildet, welcher eine Spaltströmung entgegen der Hauptströmung im Lüfter ausbildet. Durch die Einlaufdüse 15 in Verbindung mit dem Leitring 17 werden die Strömungsverhältnisse im Blattspitzenbereich verbessert, der Geräuschpegel reduziert und eine Leckageströmung verringert. Darüber hinaus ergibt sich durch die Absaugung der Spaltströmung im stromabwärtigen Bereich des Lüfters eine stärkere Verzögerung der Hauptströmung und ein besseres Anliegen der Strömung an der Strömungsleiteinrichtung 14. Die Spaltströmung hat somit den an sich bekannten Effekt einer Grenzschichtabsaugung. Im übrigen entspricht die Kühlvorrichtung 11 der Kühlvorrichtung 1 gemäß 1.
Das aus Zarge 12, Zargenring 13, Strömungsleiteinrichtung 14 und Einlaufdüse 15 bestehende Kunststoffspritzteil ist über nicht dargestellte Streben mit dem Motorblock 2 verbunden. Zwischen Leitring 17 und Zargenring 13 treten somit praktisch keine Relativbewegungen auf, sodass ein minimaler Ringspalt 18 realisierbar ist. Dagegen ist eine elastische bzw. bewegliche Befestigung der Zarge 12 gegenüber. dem Kühler 5 erforderlich, was vorzugsweise durch ein elastisches Befestigungsglied 12a erfolgt.
Abweichend von den zeichnerischen Ausführungsbeispielen, die eine konische bzw. kegelförmige Fläche 8a der Strömungsleiteinrichtung 8 zeigen, ist auch eine glocken- oder trompetenförmige Form möglich und im Rahmen der Erfindung liegend.
4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kühlvorrichtung 20 mit einer Brennkraftmaschine 21, welche im frontseitigen Bereich eine Reihe von Nebenaggregaten 22 aufweist, beispielsweise eine Kühlmittelpumpe und einen Generator, welche über einen Riementrieb miteinander verbunden sind. Die Frontseite der Brennkraftmaschine 21 ist durch die Anordnung der Nebenaggregate 22 relativ zerklüftet und unregelmäßig ausgebildet. Oberhalb der Brennkraftmaschine 21 ist eine Fahrerkabine 23 angeordnet, welche den Motorraum nach oben abschließt. In Fahrtrichtung vor den Nebenaggregaten 22 sind ein Axiallüfter 3 und ein Kühler 5 bzw. ein aus mehreren Wärmeübertragern gebildetes Kühlmodul angeordnet. Zwischen dem Kühler 5 und dem Axiallüfter 3 ist eine Zarge 24 mit einem Zargenring 25 angeordnet, in welchem der Axiallüfter 3 umläuft. An den Zargenring 25 schließt sich eine Strömungsleiteinrichtung 26 an, welche einen, über den Umfang des Zargenringes 25 gesehen, unterschiedlichen Öffnungswinkel α aufweist: In der Zeichnung sind beispielhaft zwei unterschiedliche Öffnungswinkel dargestellt, ein oberer Öffnungswinkel α, von etwa 90° und ein unterer Öffnungswinkel α₂ von etwa 55°. Die Strömungsleiteinrichtung 26 ist somit an die unterschiedlichen Abströmbedingungen hinter dem Axiallüfter 3, hervorgerufen durch die Anordnung der Nebenaggregate 22, angepasst. Durch diese über den Umfang variable Ausbildung des Öffnungswinkels α ergibt sich eine widerstandärmere Abströmung der Kühlluft.

Claims

Kühlvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (2, 21), umfassend einen von Luft durchströmbaren Kühlmittelkühler (5), einen in Luftströmungsrichtung (L) hinter dem Kühlmittelkühler (5) angeordneten Axiallüfter (3), eine zwischen dem Kühlmittelkühler (5) und dem Axiallüfter (3) angeordnete Zarge (6, 12, 24) mit einem Zargenring (7, 13, 24), in welchem der Axiallüfter (3, 3b) drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zargenring (7, 13, 25) luftabströmseitig radial zu einer Strömungsleiteinrichtung (8, 14, 26) erweitert ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (8) eine Fläche (8a) aufweist, welche mit der Achse (a) des Axiallüfters (3) einen Öffnungswinkel α bildet, wobei α ≥ 55°, vorzugsweise α ≥ 60° ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (8) eine konische Fläche (8a) aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel α der Strömungsleiteinrichtung (26), über den Umfang des Zargenringes (25) gesehen, variabel ausgebildet ist, insbesondere Werte zwischen α₁ ≥ 55° und α₂ ≤ 90° aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Axiallüfter (3, 10, 16) einen Außendurchmesser D_L und die Strömungsleiteinrichtung (8, 14) einen abströmseitigen Außendurchmesser D_A aufweisen, wobei die Beziehung gilt: D_A ≥ 1,1 D_L, vorzugsweise D_A ≥ 1,15 D_L.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (3b) des Axiallüfters (3) innerhalb der axialen Erstreckung des zylindrischen Bereiches des Zargenringes (7) umlaufen.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Axiallüfter (10) Lüfterschaufeln (10b) mit einem abströmseitigen Schaufelüberstand (ü) aufweist, der sich in den axialen Bereich der Strömungsleiteinrichtung (8, 8a) erstreckt.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zargenring (13) luftanströmseitig eine Einlaufdüse (15) und der Axiallüfter (16) einen Mantel (17) aufweisen und dass zwischen der Einlaufdüse (15) und dem Mantel (17) ein Ringspalt (18) mit einer 180-Grad-Umlenkung gebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Bereich der Einlaufdüse (15) in den Zargenring (13) übergeht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zarge (12), die Einlaufdüse (15), der Zargenring (13) und die Strömungsleiteinrichtung (14) einstückig, vorzugsweise als Kunststoffspritzteil ausgebildet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (17) einen stromabwärtigen, diffusorartig erweiterten Bereich (17b) aufweist.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Zargenring (7, 13, 25) mit der Strömungsleiteinrichtung (8, 14, 26) motorfest angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Relativbewegungen zwischen Zargenring (7, 13, 25) und Kühlmittelkühler (5) durch flexible und/oder bewegliche Dichtmittel (6a, 7a, 12a) kompensierbar sind.
Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Axiallüfter (3, 10, 16) durch die Brennkraftmaschine (2, 21), vorzugsweise über eine Flüssigkeitsreibungskupplung (3a, 10a, 16a) antreibbar ist.