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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem im Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
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Neben dem Motor, der in der Regel über einen Wasserkühlkreislauf gekühlt wird, liegen im Motorraum weitere Bauteile, die einer Kühlung bedürfen, beispielsweise die Bremsscheiben oder die Gummilager der Vorderachse. Letztere erhitzen sich vor allem durch die Umgebungswärme, gehören aber mit zu den temperaturempfindlichsten Bauteilen im Motorraum.
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Meist wird im Motorraum ein elektrischer Kühlerlüfter eingesetzt, der Kühlluft durch ein Kühlpaket zieht oder drückt, das den Motorkühler, also den Kühler für das Kühlwasser des Motorkühlkreislaufes, enthält, in dem aber unter anderem auch Klimakondensatoren einer Fahrzeugklimaanlage angeordnet sein können.
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Derartige Kühlpakete sowie auch der Kühlerlüfter haben eine relativ große Querschnittsfläche, wobei die Kühlerabluft direkt hinter dem Kühlpaket oder dem Kühlerlüfter über diese Querschnittsfläche eine stark inhomogene Temperaturverteilung aufweisen kann. Diese Temperaturunterschiede variieren von System zu System, sind aber innerhalb eines Systems konstant.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen Weg zu schaffen, um temperaturempfindliche Bauteile im Motorraum auf einer für diese geeigneten Temperatur zu halten.
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Erfindungsgemäß wird hierzu die Inhomogenität der Temperaturverteilung der Kühlerabluft genutzt. Hierzu ist bei einem Kühlsystem im Motorraum eines Kraftfahrzeugs eine Kühlereinheit mit einem Kühlerpaket eines Motorkühlers und einem Kühlerlüfter vorgesehen, der Kühlluft durch das Kühlpaket bewegt, wobei die Temperatur der Kühlluft über die Querschnittsfläche eines Auslasses der Kühlereinheit inhomogen ist. Außerdem ist ein Luftkanal vorgesehen, der einen Lufteinlass am Auslass der Kühlereinheit mit einer geringeren Einlassquerschnittsfläche als die Querschnittsfläche des Auslasses der Kühlereinheit aufweist, wobei der Lufteinlass in einem Bereich der Querschnittsfläche des Auslasses der Kühlereinheit angeordnet ist, der einer vorbestimmten Temperatur entspricht, und wobei der Luftkanal zu wenigstens einem zu kühlenden Bauteil führt. Auf diese Weise wird gezielt der Anteil an Luft eines bestimmten Temperaturbereichs aus der gesamten Kühlerabluft herausgefiltert und dieser durch den Luftkanal an das zu kühlende Bauteil geleitet.
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Diese Separation erfolgt vorteilhaft unmittelbar stromabwärts der Kühlereinheit, also stromaufwärts der Turbulenzen, die sich nach der Kühlereinheit ausbilden und die für eine Durchmischung der Luftanteile unterschiedlicher Temperatur zu einem Luftstrom homogener Temperatur führen.
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Erfahrungsgemäß kann die Temperatur über die Querschnittsfläche des Auslasses der Kühlereinheit zwischen etwa 110°C und 65°C schwanken. Vorzugsweise ist der Lufteinlass des Luftkanals im Bereich der geringsten Temperatur angeordnet, um eine besonders hohe Kühlwirkung für die temperaturempfindlichsten Bauteile im Motorraum erzielen zu können.
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Die Erfindung ermöglicht es, ohne zusätzliche Lüfter oder Gebläse auszukommen, da die Antriebswirkung des Kühlerlüfters ausgenutzt werden kann, um der abgeführten Luft die nötige Geschwindigkeit zu verleihen und diese mit dem gewünschten Durchsatz an die entsprechenden Bauteile zu leiten. Auch hierbei empfiehlt es sich, den Einlass des Luftkanals möglichst nah am Auslass der Kühlereinheit anzuordnen.
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Der Kühlerlüfter kann dabei vor dem Kühlpaket, also stromaufwärts des Kühlpakets, oder nach dem Kühlpaket, also stromabwärts des Kühlpakets, angeordnet sein. Es hat sich gezeigt, dass in beiden Fällen eine entsprechende Temperaturinhomogenität in der Abluft auftritt und eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit gewährleistet ist.
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Vorzugsweise ist der Luftkanal so ausgebildet, dass er mehrere, im Wesentlichen nebeneinander angeordnete Kanalarme aufweist. Diese Gestaltung erlaubt, den Luftstrom nochmals aufzuteilen und über die Kanalarme gezielt zu mehreren Bauteile oder zu unterschiedlichen Stellen desselben Bauteils zu führen.
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Dabei können die rechtsseitigen und die linksseitigen Kanalarme asymmetrisch zueinander ausgebildet sein. Dies ermöglicht, der Drehrichtung des Kühlerlüfters Rechnung zu tragen, da dieser der durch ihn bewegten Luft einen Drall verleiht und diese Strömungsrichtung durch die Form und Geometrie der Kanalarme berücksichtigt werden kann, um einen möglichst großen Luftdurchsatz bei möglichst geringen Verwirbelungen und Reibungsverlusten zu erzielen.
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Krümmung und Querschnitt jedes der Kanalarme können so ausgebildet sein, dass die Durchströmmenge (Massendurchsatz) an den Luftauslässen aller Kanalarme gleich ist. Für einen gleichen Luftdurchsatz sind vorzugsweise Krümmung und Querschnitt der einzelnen Kanalarme unterschiedlich gewählt, um die Rotationsbewegung des Lüfters auszugleichen. Auf gleiche Weise kann auch erzielt werden, dass der Druckabfall für jeden Kanalarm zwischen Lufteinlass und Luftauslass gleich ist. Natürlich ist auch eine individuelle Anpassung der Durchstrommenge bzw. des Druckabfalls für jeden Kanalarm möglich, was ebenfalls über Krümmung und Querschnitt des jeweiligen Kanalarms einstellbar ist.
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Beispielsweise kann ein erster Kanalarm direkt vom Lufteinlass des Luftkanals abzweigen, vorzugsweise der Kanalarm auf der in Strömungsrichtung gesehen rechten Seite bei einem im Uhrzeigersinn laufenden Lüfter. Dieser Kanalarm ist bevorzugt nach rechts gekrümmt.
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Stromabwärts des Abzweigs des ersten Kanalarms kann ein zweiter Kanalarm abzweigen, wobei dieser bevorzugt (bei einem entgegen der Strömungsrichtung betrachtet im Uhrzeigersinn drehenden Lüfter) nach links gekrümmt ist und dessen Luftauslass um etwa 180° zu dem Luftauslass des ersten Kanalarms versetzt angeordnet sein kann.
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Die Luftauslässe können aber auch eine andere Anordnung haben.
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Vorzugsweise hat der erste Kanalarm einen kleineren Strömungsquerschnitt als der zweite Kanalarm, da die Luftgeschwindigkeit im Bereich des Einlasses des ersten Kanalarms größer ist.
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In einer möglichen Anwendung ist wenigstens ein Teil der Luftauslässe der Kanalarme so angeordnet, dass die Luft zu Vorderachslagern des Kraftfahrzeugs strömt. Auf diese Weise werden Bauteile im Motorraum, die besonders temperaturempfindlich sind, mit einem Kühlluftanteil geringer Temperatur versorgt, sodass eine gezielte separate Kühlung durch andere aufwendige Maßnahmen entfallen kann.
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Um der Geometrie dieses Anwendungszwecks Rechnung zu tragen, ist es möglich, dass der Luftkanal direkt stromabwärts des Lufteinlasses einen vertikal abgeknickten Abschnitt aufweist, wobei sich von diesem dann die waagerecht angeordneten, parallel zueinander liegenden Kanalarme erstrecken. Auf diese Weise lässt sich die Kühlluft einfach zu den Vorderachslagern führen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems
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2 einige Komponenten des erfindungsgemäßen Kühlsystems;
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3 die Komponenten aus 2 von der Seite gesehen; und
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4 die Komponenten aus 2 von oben gesehen.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 10 im Motorraum 12 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Ein Motor 14 des Fahrzeugs ist mit einem Kühlsystem verbunden, zu dem ein Kühlpaket 16 mit einem oder mehreren Wärmetauschern, darunter einem Motorkühler (nicht näher dargestellt), gehört. Das Kühlpaket 16 kann auch Wärmetauscher oder Klimakondensatoren einer Fahrzeugklimaanlage enthalten. Das Kühlpaket 16 ist Teil einer Kühlereinheit 18, zu der auch ein Kühlerlüfter 20 gehört, der einen Luftstrom L durch das Kühlpaket 16 bewegt und der unter anderem das Kühlwasser des Motorkühlers des Motors 14 kühlt.
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Der Kühlerlüfter 20 bewegt den Luftstrom L durch die Kühlereinheit 18, wobei der Luftstrom L dabei den Kühlerlüfter 20 passiert. Im dargestellten Fall ist der Kühlerlüfter 20 stromabwärts des Kühlpakets 16 angeordnet, er könnte aber auch stromaufwärts des Kühlpakets 16 angeordnet sein.
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Unmittelbar stromabwärts eines Auslasses 26 der Kühlereinheit 18 für die Kühlerabluft, also hier unmittelbar stromabwärts des Kühlerlüfters 20, ist der Lufteinlass 22 eines Luftkanals 24 angeordnet.
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Der Kühlerlüfter 20 und auch der Auslass 26 der Kühlereinheit 18 besitzen eine relativ große Querschnittsfläche, die im Wesentlichen der Querschnittsfläche des Kühlpakets 16 entspricht. Über die Querschnittsfläche des Kühlpakets 16 und somit auch über die Querschnittsfläche des Luftauslasses des Kühlerlüfters 20 ist die Temperatur inhomogen verteilt, wie durch den in 2 abgebildeten Temperaturverlauf angedeutet ist. Im dargestellten Fall ist es so, dass im in der Figur unteren Bereich des Kühlerlüfters 20 die Temperatur mit etwa 65°C deutlich niedriger ist als im oberen Drittel des Kühlerlüfters 20, wo die Temperatur 110°C erreicht. Diese Inhomogenität in der Temperatur ist bedingt durch den individuellen Aufbau des Kühlpakets 16, ist aber für jedes individuelle Kühlpaket 16 gleichbleibend.
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Der Lufteinlass 22 des Luftkanals 24 ist von seiner Einlassquerschnittsfläche kleiner dimensioniert als die Querschnittsfläche des Auslasses 26 der Kühlereinheit 18. Im hier gezeigten Beispiel ist die Temperaturverteilung vertikal über die Querschnittsfläche des Auslasses 26 inhomogen, aber in der Horizontalen jeweils im Wesentlichen homogen.
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Deshalb ist hier die Form des Lufteinlasses 22 des Luftkanals 24 so gewählt, dass sie einem schmalen Rechteck gleicht, das sich über die gesamte Breite b des Auslasses 26 erstreckt, aber nur über einen sehr geringen Anteil von dessen Höhe, wobei die Höhe h des Lufteinlasses 22 nur so hoch gewählt ist wie die Höhe der Luftschicht, die den Auslass 26 mit der gewünschten Temperatur verlässt. In diesem Fall beträgt die Höhe des Einlasses 22 ungefähr ein Zehntel der Höhe des Auslasses 26.
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Breite b und Höhe h des Lufteinlasses 22 lassen sich natürlich ganz auf die individuellen Gegebenheiten im jeweiligen Kühlsystem 10 abstimmen und sind hier lediglich beispielhaft angegeben.
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Durch die Anordnung unmittelbar stromabwärts der Kühlereinheit 18 ist sichergestellt, dass die Luft in den Lufteinlass 22 des Luftkanals 24 gelangt, bevor Verwirbelungen auftreten, die normalerweise ein Stück stromabwärts eines Lüfters zu finden sind, sodass tatsächlich die Luft des gewählten Temperaturbereichs in den Luftkanal 24 geleitet wird. Unmittelbar stromabwärts der Kühlereinheit 18 ist auch die Strömungsgeschwindigkeit so hoch und noch geradlinig, dass auf weitere aktive Mittel zur Bewegung der Luft durch den Luftkanal 24 wie einen zusätzlichen Lüfter verzichtet werden kann.
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Der Luftkanal 24 verzweigt sich von einer direkt an den Lufteinlass 22 anschließenden gemeinsamen Kammer 28 in mehrere Kanalarme 30, wobei im gezeugten Beispiel vier Kanalarme 30a–d vorgesehen sind. Jeder der Kanalarme 30a–d endet in einem Luftauslass 32.
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Über Querschnitt und Krümmung der einzelnen Kanalarme 30 kann die Durchflussmenge der Luft durch die einzelnen Kanalarme 30 eingestellt werden, wie im Folgenden noch erläutert wird. Hierbei ist es möglich, alle Kanalarme 30 so auszulegen, dass durch die Luftauslässe 32 stets die gleiche Menge an Luft gefördert wird bzw. der Druckabfall an jedem der Luftauslässe 32 gleich ist. Es ist aber auch möglich, die einzelnen Luftauslässe 32 und die einzelnen Kanalarme 30 individuell auszulegen, um gleiche oder unterschiedliche Luftmengen zu fördern.
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Im vorliegenden Beispiel läuft der Kühlerlüfter 20 im Uhrzeigersinn (bezogen auf die Darstellung in 1 und entgegen der Strömungsrichtung betrachtet), was dazu führt, dass der Luftstrom L in Strömungsrichtung gesehen eine Geschwindigkeitskomponente nach rechts erhält. Rechtsseitig wird also eine größere Luftmenge zur Verfügung stehen als linksseitig. Die hier gewählte Anordnung der Kanalarme 30 trägt dem Rechnung, indem ein erster Kanalarm 30a vorgesehen ist, der direkt vom Lufteinlass 22, im Wesentlichen noch vor der gemeinsamen Kammer 28, nach rechts wegführt, wobei die Richtung des Kanalarms 308 zunächst der Strömungsrichtung der aus dem Kühlerlüfter 20 austretenden Luft folgt und somit schräg nach rechts außen gerichtet ist. In seinem weiteren Verlauf ist der Kanalarm 30a dann entsprechend nach rechts gekrümmt, um den Ort zu erreichen, an dem der Luftauslass 32 platziert sein soll.
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Die gemeinsame Kammer 28 teilt sich im Strömungsverlauf in zwei Abschnitte, von denen einer des zweiten Kanalarm 30b bildet. Der andere Abschnitt teilt sich wiederum in die beiden Kanalarme 30c und 30d auf. Der zweite Kanalarm 30b beschreibt einen U-förmigen Bogen nach links, dessen Krümmungsradius so gewählt ist, dass die Luft möglichst gleichmäßig ohne Verwirbelungen und ohne Reibungsverluste hindurchströmt.
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In diesem Beispiel sind der erste und der vierte Kanalarm 30a, 30d nach rechts gerichtet, während der zweite und der dritte Kanalarm 30b, 30c nach links gerichtet sind.
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Im gezeigten Beispiel sind alle Luftauslässe 32 der Kanalarme 30 zu Vorderachslagern 34 des Fahrzeugs gerichtet (nur in 4 schematisch dargestellt). Auf diese Weise kann Kühlluft mit etwa 65°C zu diesen Bauteilen geleitet werden, was es gestattet, thermisch empfindliche Elastomerlager zu verwenden.
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Um den vorhandenen Platz im Motorraum gut auszunutzen und dennoch optimale Strömungsverhältnisse im Luftkanal 24 zu gewährleisten, ist in diesem Beispiel der Luftkanal 24 direkt nach dem Lufteinlass 22 über einen Abschnitt 36 in vertikaler Richtung in 2 abgeknickt, der in diesem Fall auch die gemeinsame Kammer 28 bildet. Nach dem vertikal abgeknickten Abschnitt 36 verläuft der Luftkanal 24 eben, wobei sämtliche Kanalarme 30 in der gleichen Ebene angeordnet sind.
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Durch die beschriebene Gestaltung wird eine aktive Komponentenkühlung auch im Stillstand des Fahrzeugs erreicht, ohne dass dafür ein zusätzliches Kühlgebläse erforderlich wäre, da die Erzeugung des Luftstroms L lediglich vom Kühlerlüfter 20, nicht aber von einer Luftströmung aufgrund einer Fahrzeugbewegung abhängig ist.
