DE4341207A1

DE4341207A1 - Turbocharger for IC engine, also used as cooler fan

Info

Publication number: DE4341207A1
Application number: DE19934341207
Authority: DE
Inventors: Welf Ebeling; Karlheinz Ebbinghaus
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1995-06-08

Abstract

An IC engine with a cooler-fan (7) driven by an exhaust turbine (8) is an axial fan, semi-axial fan or radial fan. The air coming form the fan is used to cool components or to boost the engine output (turbocharger).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kühler-Lüfter, der von einer in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Turbine angetrieben und luftseitig stromab des Kühlers in einem vom Kühler zum Lüfter verlaufenden Kanal angeordnet ist.The invention relates to an internal combustion engine with a Radiator fan by one in the exhaust pipe of the Engine arranged turbine driven and on the air side downstream of the cooler in one from the cooler to the Fan extending channel is arranged.

Neben üblichen mechanischen oder elektromotorischen An triebsvorrichtungen für Kühler-Lüfter ist ein Antrieb mittels einer Abgasturbine nach dem Oberbegriff des An spruchs 1 aus der DE-OS 19 10 254 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Stand der Technik ist der Kühler-Lüfter als Lüfterwalze ausgebildet und wirkt als sog. Tangen tial-Gebläse. Da diese bekannte Lösung jedoch unbefriedi gend ist, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten von einer Abgasturbine angetriebenen Kühler-Lüfter aufzuzeigen.In addition to the usual mechanical or electromotive type Drive devices for radiator fans is a drive by means of an exhaust gas turbine according to the preamble of the An saying 1 from DE-OS 19 10 254 become known. At this known prior art is the cooler fan designed as a fan roller and acts as a so-called Tangen tial blowers. However, since this known solution is unsatisfied is the object of the present invention, an improved exhaust turbine powered Show cooler fan.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Kühler- Lüfter als Axialgebläse oder Halbaxialgebläse oder Radialgebläse ausgebildet ist. Strömungsdynamisch beson ders vorteilhaft ist dabei die Ausbildung als Halbaxial gebläse oder Radialgebläse. Vorteilhafte Aus- und Weiter bildungen sind Inhalt der Unteransprüche. To solve this problem it is provided that the cooler Fan as an axial fan or semi-axial fan or Radial fan is formed. Fluid dynamics in particular ders advantageous is the training as a semi-axial blower or radial blower. Advantageous expansion and further education is the content of the subclaims.

Erfindungsgemäß ist ein Kühler-Lüfter, der abluftseitig des Kühlers angeordnet ist und von einer Abgasturbine an getrieben wird, im Gegensatz zu Abgasturboladern, die rein prinzipiell ein vergleichbares Bauteil darstellen, für einen hohen Massenstrom zu konzipieren. Unter Wir kungsgradaspekten ist dabei ein Halbaxialgebläse oder auch ein Radialgebläse, aber auch ein Axialgebläse deut lich vorteilhafter als das vom Stand der Technik bekannte walzenartige Tangentialgebläse. Ob im Einzelfall nun ein (Halb)-Axialgebläse oder ein Radialgebläse gewählt wird, ist unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen indi viduell festlegbar. Bei dieser Auswahl kann die mögliche weitere Nutzung der Abluftexergie am Gebläseaustritt des Kühler-Lüfters von entscheidender Bedeutung sein. Bei spielsweise kann die Abluftexergie am Gebläseaustritt zur Kühlung von weiteren Bauteilen verwendet werden oder auch die Vortriebsleistung eines Fahrzeuges steigern, das mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgestattet ist.According to the invention is a cooler fan on the exhaust side of the cooler is arranged and from an exhaust gas turbine is driven, in contrast to exhaust gas turbochargers, which in principle represent a comparable component, to be designed for a high mass flow. Under We The degree of efficiency is a semi-axial fan or also a radial fan, but also an axial fan Lich more advantageous than that known from the prior art roller-type tangential blowers. Whether in an individual case (Half) axial fan or a radial fan is selected, is indi taking into account other boundary conditions definable. With this selection, the possible further use of the exhaust air energy at the fan outlet of the Radiator fans are vital. At for example, the exhaust air energy can be at the fan outlet Cooling of other components can be used or also increase the propulsive power of a vehicle with equipped an internal combustion engine according to the invention is.

Den jeweiligen Anforderungen entsprechend gestaltet wer den kann auch ein sog. Kühlerabluftsammler, der stromab des Kühlers vorgesehen ist und an den sich der zum Küh ler-Lüfter führende Kanal, in dem im übrigen ein Drossel element und/oder ein Bypass zum Kühler-Lüfter vorgesehen sein kann, anschließt. So kann sich der Kühlerabluftsamm ler lediglich über einen Teilbereich der Kühleroberfläche erstrecken, wie auch aus dem im folgenden erläuterten Prinzipskizzen zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung hervorgeht.Who is designed according to the respective requirements this can also be a so-called radiator exhaust manifold, the downstream the cooler is provided and to which the cooler ler fan leading channel, in the rest of which a choke element and / or a bypass to the radiator fan is provided can be connected. So the radiator exhaust air can collect ler only over a portion of the cooler surface extend, as well as from the following Principle sketches of two preferred embodiments of the Invention emerges.

In den Fig. 1, 2 gezeigt ist jeweils ein Prinzipschnitt durch den Vorderbau eines Kraftfahrzeuges, in dem eine Brennkraftmaschine 12 eingebaut ist. Es handelt sich um eine wassergekühlte Brennkraftmaschine 12, wobei die Kühlflüssigkeit wie üblich in einem Kühler 1 rückgekühlt wird. Diesem Kühler 1, dem ein Kondensator 2 einer Fahr zeug-Klimaanlage vorgeschaltet sein kann, wird ein am Frontende des Fahrzeuges eintretender Luftstrom 3 über einen Zuströmdiffusor 4 zugeführt. Stromab des Kühlers 1 ist ein Abluftsammler 5 vorgesehen, der in einen flexiblen Kanal 6 mündet. Dieser Kanal 6 führt zu einem Kühler-Lüfter 7, der als Radialgebläse - alternativ als Halbaxialgebläse oder Axialgebläse - ausgebildet ist und von einer Turbine 8 angetrieben wird. Hierzu sitzt das Gebläserad des Kühler-Lüfters 7 mit dem Turbinenrad der Turbine 8 auf einer gemeinsamen Welle 9; die Einheit aus Kühler-Lüfter 7 und Turbine 8 bildet somit mit der Welle 9 eine Baueinheit, wie sie an sich von Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen her bekannt ist. Jedoch unter scheidet sich die erfindungsgemäße Einheit von Kühler- Lüfter 7 und Turbine 8 von Abgasturboladern durch die Auslegung des Gebläserades des Kühler-Lüfters 7, da es nämlich, wie bereits erwähnt, als (Halb)-Axialgebläse oder Radialgebläse ausgebildet ist, um anders als im Anwendungsfall eines Abgasturboladers einen hohen Massen strom durch den Kühler 1 fördern zu können.As shown in Figs. 1, 2 are each a schematic sectional view of the front structure of a motor vehicle, is installed in the engine 12 a. It is a water-cooled internal combustion engine 12 , the cooling liquid being recooled in a cooler 1 as usual. This cooler 1 , which can be connected upstream of a condenser 2 of a vehicle air conditioning system, is supplied with an air flow 3 entering the front end of the vehicle via an inflow diffuser 4 . An exhaust air collector 5 is provided downstream of the cooler 1 and opens into a flexible duct 6 . This channel 6 leads to a cooler-fan 7 , which is designed as a radial fan - alternatively as a semi-axial fan or axial fan - and is driven by a turbine 8 . For this purpose, the fan wheel of the cooler fan 7 sits with the turbine wheel of the turbine 8 on a common shaft 9 ; the unit comprising the cooler fan 7 and the turbine 8 thus forms a structural unit with the shaft 9 , as is known per se from exhaust gas turbochargers of internal combustion engines. However, the unit according to the invention of the radiator fan 7 and the turbine 8 differs from exhaust gas turbochargers by the design of the fan wheel of the radiator fan 7 , since, as already mentioned, it is designed as a (semi) axial fan or radial fan in order to to be able to promote a high mass flow through the cooler 1 in the application of an exhaust gas turbocharger.

Identisch einem Abgasturbolader ausgelegt ist jedoch die Turbine 8. Analog einem Abgasturbolader wird über diese Turbine 8 das Abgas der nicht gezeigten Brennkraftma schine geführt. Hierzu ist die Turbine 8 über eine Zulei tung 10a sowie eine Ableitung 10b in die Abgasanlage der Brennkraftmaschine eingebunden (nicht gezeigt).However, the turbine 8 is designed identically to an exhaust gas turbocharger. Analogous to an exhaust gas turbocharger, the exhaust gas of the internal combustion engine, not shown, is guided via this turbine 8 . For this purpose, the turbine 8 is integrated via a supply line 10 a and a derivative 10 b into the exhaust system of the internal combustion engine (not shown).

In einer ersten Ausführungsform erstreckt sich der Ab luftsammler 5 über die gesamte Oberfläche des Kühlers 1. In einer alternativen Ausführungsform kann sich der Ab luftsammler 5′ jedoch lediglich über einen Teilbereich der Kühleroberfläche erstrecken. Über den freibleibenden, nicht vom Abluftsammler 5′ überdeckten Kühlerabschnitt kann dabei insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsfahrt des Fahrzeuges ein relativ großer Kühlluftstrom gelangen, der nicht in aufwendiger Weise durch das sog. Abgas-Turboge bläse, d. h. durch die Baueinheit von Kühler-Lüfter 7 und Turbine 8 gefördert werden muß. Steht jedoch vor dem Fahrzeug kein ausreichender Staudruck zur Verfügung, so ist die Förderung des Kühlluftstromes mittels dieses Ab gas-Turbogebläses äußerst vorteilhaft. Dies u. a. des halb, da kein separater mechanischer oder elektromotori scher Antrieb für den Kühler-Lüfter erforderlich ist. Dies aber auch deshalb, weil die Förderleistung zur För derung des Kühlluftmassenstromes durch den Kühler-Lüfter 7 für alle Lastbereiche der Brennkraftmaschine durch Aus nutzung der Abgasexergie dieser Brennkraftmaschine in ausreichendem Maße quasi kostenlos zur Verfügung gestellt wird. Durch den damit möglichen Entfall von mechanisch oder elektromotorisch angetriebenen Lüftern wird die Pri märenergie für deren Antrieb eingespart. Auch führt der Entfall von nahe des Kühlers 1 angeordneten Lüftern und zugehörigen Zargen zu einer Verringerung des Luftwider standes, was ebenfalls zu einer Treibstoffeinsparung führt. Darüber hinaus erlaubt ein erfindungsgemäßes Kühl system die Verwendung eines aerodynamisch optimierten Zu strömdiffusors 4 sowie eines ebenfalls optimal gestalte ten Abluftsammlers 5 sowie Kanales 6.In a first embodiment, the air collector 5 extends over the entire surface of the cooler 1 . In an alternative embodiment, the air collector 5 ', however, can only extend over a portion of the cooler surface. About the free, not covered by the exhaust manifold 5 'covered cooler section can get a relatively large flow of cooling air, especially when the vehicle is traveling at high speed, which does not blow in a complex manner by the so-called exhaust gas turboge, ie by the structural unit of the cooler fan 7 and turbine 8 must be promoted. However, if there is not sufficient back pressure in front of the vehicle, the promotion of the cooling air flow by means of this gas turbo blower is extremely advantageous. This is partly because there is no need for a separate mechanical or electric motor drive for the radiator fan. This is also because the delivery rate for the promotion of the cooling air mass flow through the radiator fan 7 for all load areas of the internal combustion engine is made available free of charge from the exhaust gas energy of this internal combustion engine to a sufficient extent. The possible elimination of mechanically or electromotively driven fans saves the primary energy for driving them. Also, the elimination of fans and associated frames arranged near the cooler 1 leads to a reduction in the air resistance, which likewise leads to fuel savings. In addition, a cooling system according to the invention allows the use of an aerodynamically optimized flow diffuser 4 and an likewise optimally designed exhaust air collector 5 and channel 6 .

Im einzelnen können die Begrenzungswände des Zuströmdif fusors 4 im oberen und unteren Teil des Fahrzeugbugs ae rodynamisch geglättet werden. Ferner bietet eine trompe tenförmige Erweiterung die Möglichkeit, Strömungsverluste in diesem Bereich weiter zu verringern. Diese beiden Maß nahmen zeigen bei konventionellen Kühlsystemen mit bei spielsweise mechanisch angetriebenen, nahe des Kühlers 1 angeordneten Kühler-Lüftern keine Wirkung, da der Einbau von Lüftern und Zargen im Kühllufttrakt so große Störun gen an den Diffusorwänden hervorruft, daß die Strömung sich ablöst, was eine extreme Widerstandszunahme zur Folge hat. Auch stromab des Kühlers 1 schafft die Mög lichkeit der Verwendung des Abluftsammlers 5 ideale Vor aussetzungen, den Durchströmungswiderstand zu reduzieren. Da dieser Abluftsammler 5 bevorzugt die Gestalt einer Düse hat, wird die Strömungsgrenzschicht in dessen Aus trittsquerschnitt sehr dünn und läßt somit die Wahr scheinlichkeit einer Strömungsablösung sehr gering wer den.In particular, the boundary walls of the inflow diffuser 4 in the upper and lower part of the vehicle bow can be smoothed ae dynamically. Furthermore, a trumpet-shaped extension offers the possibility of further reducing flow losses in this area. These two measures show in conventional cooling systems with, for example, mechanically driven, arranged near the cooler 1 cooler fans no effect, since the installation of fans and frames in the cooling air tract causes such large disturbances on the diffuser walls that the flow separates, which results in an extreme increase in resistance. Also downstream of the cooler 1 , the possibility of using the exhaust air collector 5 creates ideal conditions for reducing the flow resistance. Since this exhaust air collector 5 preferably has the shape of a nozzle, the flow boundary layer is very thin in its outlet cross-section and thus leaves the probability of a flow separation very low.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann zusätz lich die Abluftexergie am Gebläseaustritt, d. h. am Aus tritt aus dem Kühler-Lüfter 7 genutzt werden, und zwar zum einen zur Kühlung von Bauteilen, so beispielsweise von Getriebe, Lagern, Bremsen, Katalysator etc. und zum anderen zur Vortriebssteigerung des Fahrzeuges, in dem diese Brennkraftmaschine mit dem beschriebenen Kühlsystem eingebaut ist. Die Abluft des Kühler-Lüfters 7 wird dabei mittels eines Stutzens 11 gezielt geführt, wobei die Aus trittsöffnung dieses Stutzens 11 prinzipiell mittels einer Rohrleitung an jeden beliebigen Ort des Fahrzeuges plaziert werden kann. Auf diese Weise kann der Abluft strom entweder zielgerichtet zur Kühlung von wärmetech nisch hochbelasteten Bauteilen oder bei einer Ausformung des Stutzens als Düse zur Vortriebssteigerung des Fahr zeuges gebraucht werden.In the context of an advantageous further development, the exhaust air energy at the fan outlet, ie at the outlet from the radiator fan 7, can be used, on the one hand, for cooling components, for example of gearboxes, bearings, brakes, catalytic converter, etc., and on the other to increase the propulsion of the vehicle in which this internal combustion engine with the cooling system described is installed. The exhaust air from the cooler fan 7 is guided in a targeted manner by means of a connection piece 11 , the outlet opening of this connection piece 11 being able to be placed in principle by means of a pipeline at any location of the vehicle. In this way, the exhaust air stream can be used either specifically for cooling technically highly stressed components or in a shaping of the nozzle as a nozzle to increase the driving force of the vehicle.

Ferner führt die Verwendung des Abluftsammlers 5 grund sätzlich zu einer Absenkung des Temperaturniveaus im Mo torraum 12 des gezeigten Fahrzeuges, da die heiße Küh lerabluft nicht - wie sonst üblich - den Motorraum 12 durchströmt. Trotzdem können, insbesondere bei Verwendung einer Motorraumvollkapsel durch Wärmestrahlung der nicht gezeigten Brennkraftmaschine oder deren Abgaskrümmer ört lich einige Bauteile überhitzt werden. Als Abhilfemaß nahme kann der Abluftsammler 5 wie gezeigt mit Schlitzen 13 versehen werden. Hierdurch kann der Motorraum gezielt kalt belüftet und warm entlüftet werden.Further, the use of the exhaust collector 5 takes in principle to a lowering of the temperature level in the goal area 12 of the vehicle shown Mo, as the hot Küh lerabluft not - as is usual - the motor chamber 12 flows through. Nevertheless, some components can be overheated, especially when using an engine compartment capsule by heat radiation from the internal combustion engine (not shown) or its exhaust manifold. As a remedial measure, the exhaust manifold 5 can be provided with slots 13 as shown. As a result, the engine compartment can be cold ventilated and warm ventilated.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühler-Lüfter- Systemes besteht darin, daß die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine durch Expansion des Abgases in der Turbine 8 des Abgasturbogebläses reduziert wird. Dies ist von besonderer Bedeutung bei einer u. a. unter Akustik aspekten vorteilhaften Vollkapselung des Motorraumes, da die Wärmestrahlung des Abgaskrümmers deutlich reduziert wird, was ferner auch von Bedeutung für die Reduzierung der Schadstoffemission ist. Aufgrund einer funktionsbe dingten Kühlung des Abgases in der Turbine 8 kann somit ohne Rücksichtnahme auf die Abgastemperatur im gesamten Betriebsbereich ein hinsichtlich Abgasemissionen optima les Gemisch der Brennkraftmaschine eingestellt werden.Another advantage of the cooler-fan system according to the invention is that the exhaust gas temperature of the internal combustion engine is reduced by expansion of the exhaust gas in the turbine 8 of the exhaust gas turbine fan. This is of particular importance in the case of full encapsulation of the engine compartment, which is advantageous from an acoustic point of view, since the heat radiation of the exhaust manifold is significantly reduced, which is also important for reducing the pollutant emission. Due to a function-related cooling of the exhaust gas in the turbine 8 , a mixture of the internal combustion engine that is optimal with regard to exhaust gas emissions can thus be set in the entire operating range without taking into account the exhaust gas temperature.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung mit einem vom Zuströmdiffu sor 4 abzweigenden Kaltluftkanal 14, in dem ein zu küh lendes Aggregat, beispielsweise der Generator 15, zu Kühl zwecken angeordnet ist. Dieser Kaltluftkanal 14 mündet stromauf des Kühler-Lüfters 7 im (flexiblen) Kanal 6. Im Rahmen weiterer Abwandlungen können im Kanal 6 geeignet ansteuerbare Drosselelemente vorgesehen sein, ebenso kann ein schaltbarer Bypass zum Kühler-Lüfter 7 vorgesehen sein, um den Kühlluftstrom wie gewünscht zu dosieren. Fig. 2 shows a modification with a branch from the inlet diffuser 4 cold air duct 14 , in which a unit to be cooled, for example the generator 15 , is arranged for cooling purposes. This cold air duct 14 opens upstream of the cooler fan 7 in the (flexible) duct 6 . As part of further modifications, suitable controllable throttle elements can be provided in the channel 6 , and a switchable bypass to the cooler fan 7 can also be provided in order to meter the cooling air flow as desired.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen, im wesentlichen aus dem Kühler-Lüfter 7, der als (Halb)-Axialgebläse oder Radialgebläse ausgebildet ist, sowie der Turbine 8 beste henden Abgasturbogebläses für die Förderung des Kühlluft stromes einer Brennkraftmaschine liegt in der Reduktion des Auspuffschalles durch die dämpfende Wirkung der Ab gas-Turbine 8. Dabei können durchaus eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art abweichend vom ge zeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den In halt der Patentansprüche zu verlassen.Another advantage of the described, essentially from the radiator fan 7 , which is designed as a (semi) axial blower or radial blower, and the turbine 8 best existing exhaust gas fan for the promotion of the cooling air flow of an internal combustion engine lies in the reduction of the exhaust sound by damping effect of the gas turbine 8 . A variety of details, in particular of a constructive nature, can be designed differently from the exemplary embodiment shown without leaving the content of the claims.

Claims

1. Internal combustion engine with a radiator fan ( 7 ) which is driven by a turbine ( 8 ) arranged in the exhaust line ( 10 a, 10 b) of the internal combustion engine and downstream of the radiator ( 1 ) in one of the radiator ( 1 ) to the fan ( 7 ) extending channel ( 6 ) is arranged, characterized in that the cooler fan ( 7 ) is designed as an axial fan or semi-axial fan or radial fan.

2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the channel ( 6 ) branches off from a cooler exhaust air collector ( 5 , 5 ') which extends le diglich over a portion of the cooler surface.

3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the exhaust air Ge at the fan outlet of the cooler fan ( 7 ) for cooling components and / or for increasing propulsion of a vehicle with an internal combustion engine according to one of the preceding claims is used.