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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühleraggregat für ein Kraftfahrzeug. Ein solches Kühleraggregat kann mehrere Wärmetauscher umfassen, die unterschiedlichen Zwecken dienen und, da sie für unterschiedliche Leistungen ausgelegt sind, unterschiedliche Kantenlängen haben. Ein solches Kühleraggregat ist aus
US 2015 016 7532 A1 bekannt.
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Wenn der kleinere Kühler den Querschnitt des Luftkanals nicht komplett ausfüllt, ist es an sich zweckmäßig, ihn nicht mittig, sondern an einer Seite des Luftkanals zu montieren.
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Um den Kühlluftstrom zu dosieren, sind Luftklappenanordnungen mit einer Mehrzahl von Luftklappen bekannt, die aus einer offenen, den Kühlluftstrom nicht drosselnden Stellung heraus gekoppelt schwenkbar sind. Je weiter diese Klappen aus der offenen Stellung ausgelenkt sind, umso weiter schränken sie den Luftstrom ein, lenken ihn aber gleichzeitig auch zur Seite ab. Wenn diese Seite diejenige ist, an der der erste Wärmetauscher montiert ist, dann konzentriert sich der eingeschränkte Luftstrom auf ihn, und die Einschränkung wirkt sich überwiegend auf den zweiten Wärmetauscher aus; liegt sie der Seite, an der der erste Wärmetauscher montiert ist, gegenüber, dann verringert sich der Luftstrom durch den ersten Wärmetauscher erheblich stärker als der durch den zweiten. Im einen wie im anderen Fall ändert sich die Verteilung der Kühlleistung auf die Wärmetauscher deutlich in Abhängigkeit von der Stellung der Luftklappen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist, bei einem Kühleraggregat mit mehreren Wärmetauschern, von denen wenigstens einer den Querschnitt eines Kühlluftkanals unvollständig ausfüllt, eine Dosierung des Kühlluftstroms zu ermöglichen und gleichzeitig die Abhängigkeit der Verteilung der Kühlleistung auf die Wärmetauscher von der Klappenstellung zu minimieren.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst, indem bei einem Kühleraggregat mit einem Kühlluftkanal und einem in dem Kühlluftkanal angeordneten, den Querschnitt des Kühlluftkanals unvollständig ausfüllenden ersten Wärmetauscher und einem zweiten Wärmetauscher, der zumindest den vom ersten Wärmetauscher nicht ausgefüllten Teil des Querschnitts ausfüllt, und mit einer einen Kühlluftstrom durch die Wärmetauscher dosierenden Luftklappenanordnung ein erster Teil der Luftklappenanordnung wenigstens überwiegend mit dem ersten Wärmetauscher strömungstechnisch überlappt, ein zweiter Teil der Luftklappenanordnung wenigstens überwiegend mit dem vom ersten Wärmetauscher nicht ausgefüllten Teil des Querschnitts strömungstechnisch überlappt und Luftklappen des ersten und des zweiten Teils um zu einer Grenze zwischen den zwei Teilen parallele Achsen gegenläufig schwenkbar gekoppelt sind.
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Unter einer strömungstechnischen Überlappung zweier Gegenstände wird hier verstanden, dass ein Strom, der durch den ersten Gegenstand verläuft, anschließend auch durch den zweiten verläuft, ohne dass dieser Strom dafür von einem zweiten Strom, der einen oder beide Gegenstände umgeht, durch eine Wand oder dergleichen getrennt sein müsste.
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Während in der offenen Stellung der Kühlluftstrom die Luftklappenanordnung passiert, ohne umgelenkt zu werden, und der Teil des Kühlluftstroms, der den ersten Teil der Luftklappenanordnung durchläuft, im Wesentlichen auch den ersten Wärmetauscher durchläuft, wohingegen der Teil des Teil des Kühlluftstroms, der den zweiten Teil der Luftklappenanordnung durchläuft, am ersten Wärmetauscher vorbeigeleitet wird, werden, wenn die Luftklappen aus der offenen Stellung ausgelenkt sind, die beiden Teile des Kühlluftstroms in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt, d. h. entweder beide zu einer Grenze zwischen den beiden Teilen hin oder beide von dieser Grenze fort. Die mengenmäßige Aufteilung der Teilluftströme auf die Wärmetauscher ändert sich dadurch nicht, daher bleibt auch das Verhältnis ihrer Leistungen im Wesentlichen dasselbe, auch wenn der Kühlluftstrom als Ganzes gedrosselt wird.
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Vorzugsweise fluchtet eine Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Teil der Luftklappenordnung mit der Grenze zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem vom ersten Wärmetauscher nicht ausgefüllten Teil des Querschnitts des Kühlluftkanals, um eine möglichst genaue Übereinstimmung zwischen dem Luftstrom durch den ersten Teil der Luftklappenanordnung und dem Luftstrom durch den ersten Wärmetauscher zu erreichen.
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Einer bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Teil horizontal orientiert, oder der Querschnitt des Luftkanals hat eine kurze und eine lange Abmessung, und die Grenze verläuft zwischen dem ersten und dem zweiten Teil in Richtung der langen Abmessung.
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Bei den meisten modernen Personenkraftwagen ist die Querschnittsabmessung des Luftkanals in der Horizontalen größer als in der Vertikalen, so dass für ein solches Fahrzeug die beiden obigen Formulierungen gleichbedeutend sind.
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Bei einem solchen Fahrzeug kann der zweite Wärmetauscher ein Querstromkühler sein, von dem ein oberer Teil und ein unterer Teil jeweils in entgegengesetzten Richtungen von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Hier kann es zweckmäßig sein, dass die Grenze zwischen dem oberen und dem unteren Teil mit einer Grenze des ersten Wärmetauschers zusammenfällt.
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Wenn die Querschnittsfläche von Luftklappenanordnung und die gemeinsame Querschnittsfläche von erstem und zweitem Wärmetauscher unterschiedlich groß sind, können nicht alle Grenzen der Luftklappenanordnung und der Wärmetauscher miteinander fluchten. In diesem Fall sollten aber wenigstens der erste Teil der Luftklappenanordnung und der erste Wärmetauscher an einen gleichen Rand des Kühlluftkanals angrenzen, und das Verhältnis der Querschnittsflächen von erstem und zweitem Teil der Luftklappenordnung sollte dem Verhältnis der Querschnittsflächen des ersten Wärmetauschers und des vom ersten Wärmetauscher nicht ausgefüllten Teil des Querschnitts des Kühlluftkanals entsprechen.
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Wenn der Querschnitt des Luftkanals eine kurze und eine lange Abmessung hat und Schwenkachsen der Luftklappen sich in Richtung der langen Abmessung erstrecken, dann sollten die Luftklappen zu ihrer Stabilisierung durch Lager längs unterteilt sein.
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Um ein die gekoppelte Bewegung der Luftklappen des ersten und des zweiten Teils der Luftklappenanordnung antreibendes Getriebe platzsparend unterzubringen, können die Luftklappen des ersten und des zweiten Teils durch dieses längs Gehäuse unterteilt sein. Zweckmäßigerweise bildet das Gehäuse auch die oben erwähnten Lager.
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Der zweite Wärmetauscher sollte den Querschnitt des Luftkanals vollständig ausfüllen.
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Damit der erste Wärmetauscher im Betrieb nicht nur einem bereits im zweiten Wärmetauscher vorgewärmten Luftstrom ausgesetzt ist, sollte er bezogen auf den Kühlluftstrom stromaufwärts vom zweiten Wärmetauscher angeordnet sein.
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Da der erste Wärmetauscher den Querschnitt des Kühlluftkanals nicht ausfüllt, ist ein Teil des zweiten Wärmetauschers auch dann einem nicht vom ersten Wärmetauscher vorgewärmten Kühlluftstrom ausgesetzt, wenn der erste Wärmetauscher stromaufwärts vom zweiten angeordnet ist. Um trotz der teilweisen Vorwärmung des Kühlluftstroms eine möglichst starke Abkühlung der Kühlflüssigkeit im zweiten Wärmetauscher zu erreichen, sollte der zweite Wärmetauscher in Bezug auf die Zirkulationsrichtung einer Kühlflüssigkeit einen stromaufwärtigen und einen stromabwärtigen Bereich aufweisen und der erste Wärmetauscher dem stromaufwärtigen Bereich vorgelagert sein.
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Um den Platzbedarf der Luftklappenanordnung unabhängig von der Stellung ihrer Luftklappen zu minimieren, sind die Luftklappen vorzugsweise als Schmetterlingsklappen ausgebildet.
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Um den Kühlluftstrom auf praktisch Null drosseln zu können, kann vorgesehen sein, dass in einer geschlossenen Stellung der Luftklappenanordnung Ränder der Luftklappen einander berühren. Eine solche Drosselung kann z. B. wünschenswert sein, um den Motor nach einem Kaltstart schnell auf Betriebstemperatur zu bringen und einen Abgaskatalysator schnell auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Der zweite Wärmetauscher ist vorzugsweise ein Motorkühler; der erste Wärmetauscher kann insbesondere ein Ladeluftkühler sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 einen Schnitt in Fahrzeuglängsrichtung durch ein erfindungsgemäßes Kühleraggregat mit offener Luftklappenanordnung;
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2 einen Schnitt durch das Kühleraggregat der 1 mit der Luftklappenanordnung in teilweise geschlossener Stellung;
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3 eine Vorderansicht einer Luftklappenanordnung eines erfindungsgemäßen Kühleraggregats;
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4 einen Schnitt durch ein Kühleraggregat mit der Luftklappenanordnung der 3 in offener Stellung; und
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5 das Kühleraggregat aus 4 mit geschlossener Luftklappenanordnung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kühleraggregat in einem schematischen Schnitt. Die Schnittebene verläuft in Längsrichtung eines Kraftfahrzeugs, in dem das Kühleraggregat eingebaut ist.
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Eine Luftklappenanordnung 1, die den linken Teil der Fig. einnimmt, kann in einem vorderen Bereich des Motorraums des Fahrzeugs hinter einem in der Fig. nicht dargestellten Kühlergrill angeordnet sein; die Luftklappen 2, 3, aus denen die Luftklappenanordnung 1 sich zusammensetzt, könnten aber auch selber Teil des Kühlergrills und an der Fahrzeugfront sichtbar sein.
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Die Luftklappen 2, 3 sind als Schmetterlingsklappen ausgebildet, mit einer Welle 4, von der aus je zwei Flügel 5 in zwei diametral entgegengesetzte Richtungen abstehen. Die Luftklappen 2, die einen oberen Teil 6 der Luftklappenanordnung 1 bilden, sind gleichsinnig, z. B. durch eine Speiche 7, gekoppelt aus der in 1 gezeigten offenen Stellung im Gegenuhrzeigersinn um zur Schnittebene senkrechte Achsen 8 in eine geschlossene Stellung schwenkbar. An der Welle 4 der unteren Luftklappe 2 ist ein Zahnrad oder, wie in der Fig. gezeigt, ein Zahnradsektor 9 drehfest montiert. Die Luftklappen 3 bilden einen unteren Teil 10 der Luftklappenordnung. Die obere Luftklappe 3 des Teils 10 ist mit einem zum Zahnradsektor 9 spiegelbildlichen Zahnradsektor 11 versehen. An einer Grenze 12 zwischen oberem und unterem Teil 6, 10 greifen die Zahnradsektoren 9, 11 ineinander, so dass die Luftklappen 3 gegensinnig zu den Luftklappen 2 rotieren und durch ein Schwenken im Uhrzeigersinn in die geschlossene Stellung übergehen.
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Ein Kühlluftkanal 13 erstreckt sich, hier mit gleichbleibendem Querschnitt, von der Luftklappenanordnung zu einer Anordnung von zwei Wärmetauschern. Der bezogen auf die Zirkulationsrichtung der Luft im Kühlluftkanal 13 stromaufwärts gelegene Wärmetauscher ist ein Ladeluftkühler 14. Der Ladeluftkühler 14 schließt unmittelbar an eine untere Wandung 16 des Kühlluftkanals 13 an; seine Rohrleitungen 15 erstrecken sich parallel zueinander quer zur Schnittebene der 1 von einem Einlass-Wasserkasten an einer seitlichen Wandung des Kühlluftkanals 13 zu einem Auslass-Wasserkasten an der gegenüberliegenden Wandung.
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Eine obere Kante des Ladeluftkühlers 14 liegt in Höhe der hier geradlinigen, horizontal orientierten Grenze 12, so dass, wenn die Kühlluft geradlinig durch den Kühlluftkanal 13 strömt, der Teil der Kühlluft, der den unteren Teil 10 der Klappenanordnung 1 passiert hat, auch den Ladeluftkühler 14 durchläuft.
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Bezogen auf die Richtung des Kühlluftstroms stromabwärts vom Ladeluftkühler 14 ist ein Motorkühler 17 angeordnet. Er füllt den Querschnitt des Kühlluftkanals 13 vollständig, bis hin zur oberen Wandung 18, aus. Er ist hier wie der Ladeluftkühler 14 als Querstromkühler, mit quer zur Schnittebene orientierten Rohrleitungen 19, 20 angelegt, die zwei Wasserkästen an den seitlichen Rändern des Kühlluftkanals 13 verbinden. Einer dieser Wasserkästen kann hier entlang der Grenze 12 unterteilt sein und einen Einlass und einen Auslass jeweils auf verschiedenen Seiten der Grenze 12 aufweisen, so dass die Kühlflüssigkeit in den Rohrleitungen 19, 20 oberhalb bzw. unterhalb der Grenze jeweils in entgegengesetzte Richtungen zirkuliert. Vorzugsweise befindet sich ein Einlass für die Kühlflüssigkeit im unteren und ein Auslass im oberen Teil des unterteilten Wasserkastens, so dass bezogen auf die Zirkulationsrichtung der Kühlflüssigkeit die Rohrleitungen 20 einen stromaufwärtigen Bereich 21 und die Rohrleitungen 19 einen stromabwärtigen Bereich 22 des Motorkühlers 17 bilden.
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2 zeigt dasselbe Kühleraggregat mit der Luftklappenanordnung 1 in einer teilweise geschlossenen Stellung. Die Luftklappen 2, 3 sind hier um die Achsen 8 um jeweils 30° gegenüber ihrer in 1 gezeigten Stellung verschwenkt. Der freie Querschnitt eines Durchgangs 23 zwischen den der Grenze 12 unmittelbar benachbarten Luftklappen 2, 3 ist dadurch halbiert, und dementsprechend verringert ist auch die Strömung durch die Kühler 14, 17 stromabwärts vom Durchgang 23. Der Querschnitt von Durchgängen 25 zwischen der oberen Klappe 2 und der oberen Wandung 18 bzw. zwischen der unteren Klappe 3 und der unteren Wandung 16 ist ebenfalls halbiert. In Durchgängen 24 zwischen gleichsinnig geschwenkten Luftklappen 2 bzw. 3 ist die Verringerung des Durchgangsquerschnitts kleiner als in den Durchgängen 23, 25, doch trägt hier eine Umlenkung des Luftstroms zur Verringerung des Durchsatzes bei. Der Luftstrom durch die Kühler 14, 17 ist daher jeweils von der Grenze 12 zu den Wandungen 16, 18 hin verlagert, doch die relative Verringerung ist für beide Kühler 14, 17 im Wesentlichen dieselbe.
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Die Luftklappen 2, 3 sind um insgesamt 90° bis in eine vollständig geschlossene Stellung schwenkbar, in der sie in einer gleichen, durch ihre Schwenkachsen 8 verlaufenden Ebene liegen. Von einander zugewandten Flügeln 5 einander benachbarter Luftklappen 2 oder 3 trägt jeweils einer einen quer zur Schnittebene langgestreckten Flansch 26, der in der vollständig geschlossenen Stellung den benachbarten Flügel 5 dichtend berührt. Die obere und untere Wandung 18, 16 weisen quer zur Schnittebene langgestreckte Stege 27 auf, an denen in der vollständig geschlossenen Stellung ebenfalls jeweils ein Flügel 5 dicht anliegt.
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Die meisten Kraftfahrzeuge haben zur Verminderung ihres Windwiderstands und zum Fußgängerschutz eine nach vorn abschüssige Fronthaube, die für den Kühlluftkanal 13 verfügbare Höhe zumindest in der Nähe des Kühlergrills einschränkt. 3 zeigt eine Vorderansicht einer Luftklappenanordnung 1 mit reduzierter Bauhöhe h. Oberer und unterer Teil 6, 10 der Luftklappenanordnung 1 umfassen hier jeweils nur eine einzige Luftklappe 2 bzw. 3. Die Breite b der Luftklappenanordnung 1 kann ein Vielfaches der Höhe h betragen. Um zu verhindern, dass die Luftklappen 2, 3 vom sie bei der Fahrt umgebenden Luftstrom zum Schwingen angeregt werden, sind sie in Richtung der Breite b unterteilt und sowohl an ihren Enden als auch in der Mitte in Lagern 28 gehalten.
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Die mittleren Lager 28 sind hier gleichzeitig Seitenwände eines Gehäuses 29, das die ineinandergreifenden Zahnradsektoren 9, 11 und ein die Schwenkbewegung der Luftklappen 2, 3 antreibendes Getriebe aufnimmt. Als Beispiel ist in 3 ein Getriebe mit einem Elektromotor 30, einer auf einer Abtriebswelle des Elektromotors 30 montierten Schnecke 31 und einem mit der Schnecke 31 kämmenden Zahnrad 32 an einer der Wellen 4 gezeigt; andere Getriebeformen kommen ebenfalls in Betracht. Die Welle 4 der Luftklappe 2 kann sich durchgehend durch das Gehäuse erstrecken oder aus zwei im Gehäuse 29 fest zusammengefügten Teilen bestehen. Die Welle 4 der Luftklappe 3 ist hier unterbrochen, um Platz für das Getriebe zu schaffen; stattdessen sind zwei Paare von ineinandergreifenden Zahnradsektoren 9, 11 vorgesehen, um jede Hälfte der Luftklappe 3 für sich an die Luftklappe 2 zu koppeln.
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Der vom Kühlergrill nach hinten ansteigende Verlauf der Fronthaube erlaubt es, dem Luftkanal 13 in der Umgebung der Kühler 14, 17 eine größere Höhe h' als an der Luftklappenanordnung 1 zu geben und damit den Kühlluftvolumenstrom gleichmäßiger auf die Kühler 14, 17 zu verteilen. Dementsprechend kann sich auch die Höhe der Grenze 12 zwischen dem Teil des Kühlluftstroms, der den oberen Teil 6 der Luftklappenanordnung 1 passiert hat, und dem Teil, der den unteren Teil 10 passiert hat, entlang des Luftkanals 13 vertikal verschieben. Damit derjenige Teil des Kühlluftstroms, der den unteren Teil 10 passiert hat, im Wesentlichen vollständig auf den Ladeluftkühler 14 trifft bzw. der Teil Kühlluftstroms, der den oberen Teil 6 passiert hat, im Wesentlichen vollständig am Ladeluftkühler 14 vorbei auf den stromabwärtigen Teil 22 des Motorkühlers 17 gelenkt wird, ist das Querschnittsverhältnis zwischen der gesamten Luftklappenanordnung 1 und ihrem unteren Teil 10 genauso groß wie das zwischen dem Gesamtquerschnitt des Luftkanals 13 in Höhe der Kühler 14, 17 und dem Querschnitt des Ladeluftkühlers 14.
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In der Darstellung der 5 befindet sich die Luftklappenanordnung 1 in der vollständig geschlossenen Stellung. Der Luftstrom durch die Kühler 14, 17 ist unterbrochen. Die Luftklappen 2, 3 liegen in einer gleichen, durch ihre Schwenkachsen verlaufenden Ebene; ein Flansch 26 der Luftklappe 3 überdeckt einen der Grenze 12 zugewandten Rand der Luftklappe 2; von der Grenze 12 abgewandte Ränder beider Luftklappen 2, 3 überlappen mit Stegen 27 der oberen bzw. unteren Wandung 18, 16.
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Die Wandungen 16, 18 müssen sich nicht, wie es in 4, 5 den Anschein hat, kontinuierlich von der Luftklappenanordnung 1 bis zu den Kühlern 14, 17 erstrecken, sondern auch Stufen oder Unterbrechungen aufweisen.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftklappenanordnung
- 2
- Luftklappe
- 3
- Luftklappe
- 4
- Welle
- 5
- Flügel
- 6
- oberer Teil (der Luftklappenanordnung)
- 7
- Speiche
- 8
- Achse
- 9
- Zahnradsektor
- 10
- unterer Teil (der Luftklappenanordnung)
- 11
- Zahnradsektor
- 12
- Grenze
- 13
- Kühlluftkanal
- 14
- Ladeluftkühler
- 15
- Rohrleitung
- 16
- untere Wandung (des Kühlluftkanals)
- 17
- Motorkühler
- 18
- obere Wandung (des Kühlluftkanals)
- 19
- Rohrleitung
- 20
- Rohrleitung
- 21
- stromaufwärtiger Bereich (des Motorkühlers)
- 22
- stromabwärtiger Bereich (des Motorkühlers)
- 23
- Durchgang
- 24
- Durchgang
- 25
- Durchgang
- 26
- Flansch
- 27
- Steg
- 28
- Lager
- 29
- Gehäuse
- 30
- Elektromotor
- 31
- Schnecke
- 32
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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