DE4431042C2 - Verfahren zur Beeinflussung des Kühlluftstromes eines vom Fahrtwind durchströmten Fahrzeugkühlers und Motorraumes eines Kraftfahrzeuges mit Hilfe eines Ventilators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung des Kühlluftstromes eines vom Fahrtwind durchströmten Fahrzeugkühlers und Motorraumes mit Hilfe eines Ventilators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hierbei ist es heute üblich, den Ventilator nach Möglichkeit nur dann in Betrieb zu nehmen, wenn die Kühlwirkung des Fahrzeugkühlers durch den Fahrtwind alleine nicht ausreicht bzw. wenn der Motor bei Fahrzeugstillstand zu warm wird.

So beschreibt das DE-GM 89 08 357 eine Flüssigkeitsreibkupplungung für einen Kühler­ ventilator, der die Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit von der geforderten Kühlleistung variiert. Durch einen einstellbaren Schlupf kann hierbei die Ventilatordrehzahl entkop­ pelt von der Motordrehzahl je nach Bedarf auf reduzierte Werte eingestellt werden. Eine zusätzliche Bremseinrichtung erlaubt es sogar, das Ventilatorrad vollständig zum Stillstand zu bringen, um beispielsweise die aus der unerwünschten Ventilatordrehung resultierende Kühlwirkung beim Motorwarmlauf zu vermeiden.

Doch selbst bei stillstehendem Ventilatorrad führt die Durchströmung des Wirkbereichs des Ventilators bzw. des Motorraums aufgrund des Fahrtwindes zu einer nicht zu ver­ nachlässigenden Kühlung des Motors. Speziell beim Warmlauf aber auch beim Sta­ tionärbetrieb im Winter führt dies bei geringer Motorlast, insbesondere bei voller Ka­ binenheizleistung, zu unerwünschten Wärmeverlusten des Motors an die Umgebung. Langsamerer Motorwarmlauf, erhöhte Motorreibung, erhöhter Kraftstoffverbrauch und ungenügende Kabinenheizleistung sind die Folgen.

Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation zeigen bei extremen klimatischen Bedingun­ gen bereits heute am Markt befindliche PKW mit effizienten Motoren Probleme bei der Beheizung der Kabine. Hier ist nicht nur ein extrem langsames Aufheizen von Motor und Kabine festzustellen, sondern im Fahrbetrieb mit geringer Last reicht die Heizlei­ stung auch nach längerer Fahrt nicht dazu aus, ein komfortables Klima in der Kabine zu erreichen. Hieran sind die Wärmeverluste im vom Fahrtwind zwangsdurchströmten Motorraum zumindest teilweise beteiligt.

Einen Ansatzpunkt zur Reduktion der Wärmeverluste aufgrund des Fahrtwindes, wie sie dem DE-GM 89 08 357 entsprechende Kühlsysteme zwangsläufig aufweisen, bietet die thermische Kapselung des Motors mit einer zusätzlichen Jalousie zur gesteuerten Ver­ sperrung des Wirkbereichs des Ventilators. Dies ist jedoch mit erheblichem Aufwand und Zusatzkosten verbunden. Insbesondere wird für die Jalousie nicht nur zusätzlicher Bauraum benötigt, sondern auch im voll geöffneten Zustand drosselt sie den Luftstrom in unerwünschter Weise.

Dennoch sind derartige thermische Kapselungen als Maßnahme zur Reduzierung der Wärmeverluste nicht nur bekannt, sondern sie werden teilweise auch bereits mit Er­ folg serienmäßig in manchen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die thermische Kapselung ist jedoch mit erheblichen Zusatzkosten und zusätzlichem Gewicht verbunden, was sie spe­ ziell für kleine Fahrzeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeugklasse in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoffverbrauch und somit auch wenig Abwärme für Heizzwecke.

Vor diesem Hintergrund kommen Kühlerjalousien insbesondere bei Personenkraftwagen i. a. nicht zum Einsatz, da das Verhältnis der durch den Einbau einer schaltbaren Ja­ lousie bewirkten Wärmeeinsparung in einem schlechten Verhältnis zu den Zusatzkosten steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kraftfahrzeuge mit vom Fahrtwind durch­ strömtem Kühler und Motorraum bei großem Wärmebedarf des Motors oder in der Fahrzeugkabine den Luftdurchsatz durch den Kühler und den Motorraum weiter zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierbei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Einsparung der Wärmeverluste mit nur wenigen Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten. Darüberhinaus lassen sich potentielle negative Auswirkungen auf den Betrieb von Motor, Heiz- und Kühlsy­ stem für diejenigen Fahrsituationen sicher vermeiden, in denen kein Heizleistungsdefizit besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren strebt in seiner optimalen Funktion die gleichen physikalisch­ thermischen Wirkungen an, wie eine vollständige Kapselung des Motorraums unter gleichzeitiger Verwendung einer Jalousie zur bedarfsweisen Verhinderung bzw. Reduk­ tion des Durchströmens des Motorraums mit Kühlluft.

Aber auch wenn der Motorraum nicht weitgehend gekapselt ist, bewirkt das erfindungs­ gemäße Verfahren zur Anpassung des Luftdurchsatzes durch den Motorraum eine Re­ duktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Dies gilt für luftgekühlte Motoren in gleicher Weise wie für Motoren mit Flüssigkeitskühlung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vielfach wird das Ventilatorrad auf elektrischem Wege durch einen Elektromotor mit Stromversorgung angetrieben. Diese Elektromotoren erlauben eine bedarfsweise Zwangs­ konvektion durch den Fahrzeugkühler und Motorraum durch einfaches Ein- und Aus­ schalten. Hier kann vorteilhafterweise das Umkehren der Drehrichtung und das Ab­ bremsen des Ventilatorrades durch eine entsprechende Regelung der Stromversorgung erfolgen. Eine Umpolung des Elektromotors kehrt die Förderrichtung des Ventilators um und baut einen dem Fahrtwind entgegenwirkenden Druckgradienten auf, welcher den Luftdurchsatz durch den Motorraum reduziert oder unterbindet.

Zweckmäßigerweise wird in dieser Anwendung bei erhöhtem Wärmebedarf der Venti­ lator bei stehendem Motor ausgeschaltet, während er bei stehendem Fahrzeug und zu warmem Motor natürlich eingeschaltet wird.

Wird der Motor zu warm, so wird die Spannungsversorgung des Ventilatormotors un­ terbrochen, so daß der Ventilator unter dem Einfluß des Fahrtwindes frei umlaufen kann.

I. a. ist es bei weiterer Zunahme der Motortemperatur dann zweckmäßig, das Venti­ latorrad durch Ausschalten der Stromversorgung gekoppelt mit einem Kurzschließen des Elektromotors über einen Ohm'schen Bremswiderstand beim Drehen auf eine redu­ zierte Drehzahl abzubremsen. Damit steigt der Luftdurchsatz unter dem Einfluß des Staudruckes aus dem Fahrtwind noch etwas an. Hierbei sei angemerkt, daß je nach Auslegung des Ventilators und je nach Fahrzeugeinbau ein stillstehendes Ventilatorrad einen höheren Luftdurchsatz zuläßt als ein mit zu geringer Drehzahl frei drehendes Ven­ tilatorrad.

Als nächste Stufe der Wärmeabfuhr wird dann bei Fahrzeugen mit Flüssigkeitskühlung der Thermostat für den großen Kühlmittelkreislauf geöffnet, so daß das Kühlmittel nicht nur über den Kabinenwärmetauscher bzw. über den kleinen Kühlmittelkreislauf gefördert wird.

Reicht die abgeführte Wärme dann immer noch nicht aus, so wird die positive Span­ nungsversorgung an den Ventilator angelegt, so daß dieser so betrieben wird, wie dies heute bereits in der Serie üblich ist. Diese Schaltstellung ist insbesondere bei hoher Last und geringer bis mittlerer Fahrgeschwindigkeit zweckmäßig.

Bei sehr hoher Fahrgeschwindigkeit wird dann die Spannungsversorgung des Ventilators unterbrochen und die Drehbewegung des Laufrades durch den Ohmschen Widerstand vollständig abgebremst, was bei entsprechend gestaltetem Ventilatorrad in dieser Fahrs­ situation für die maximale Kühlwirkung sorgt.

Grundsätzlich ist bei der hier beschriebenen Optimierung der Wärmeabfuhr aus dem Fahrzeugantrieb darauf zu achten, daß der Antrieb weder zu heiß noch zu kalt wird. Deshalb bietet sich hier insbesondere eine Einbindung der Betriebsstrategie des Venti­ lators in das Motormanagement an.

Ob eine derart feine Abstufung des Luftdurchsatzes, wie sie oben beschrieben wird, erforderlich ist, hängt vom Anwendungsfall ab.

So ist beispielsweise vielfach ein Verzicht auf das Unterscheiden zwischen freiem Drehen und vollständigen Abbremsen des Ventilators denkbar.

Für manche Anwendungen kann aber auch eine vollständige elektronische Regelung der Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit vorteilhaft sein. Dies betrifft insbesondere die Minimierung der Wärmeverluste durch den Aufbau eines ent­ sprechenden Gegendruckes und die hieraus resultierende Minimierung des Luftdurch­ satzes durch den Motorraum. Angesichts der immer geringer werden den Kosten für elek­ tronische Bauteile dürfte auch diese Variante kostengünstiger sein als eine schaltbare Kühlerjalousie.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.

Als Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1 einen Motor 1 mit dem aus den zum Kabinenwärme­ tauscher führenden Kühlmittelleitungen 20 und 21 sowie den Leitungen 2a und 2b gebil­ deten kleinen Kühlmittelkreislauf, in dem das Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe 4 über einen Thermostaten 3 zurück zum Motor 1 gefördert wird.

Der große Kühlmittelkreislauf führt in bekannter Weise über eine Leitung 5 zum Fahr­ zeugkühler 6 und ebenfalls über den Thermostaten 3 zurück zur Kühlmittelpumpe 4 und dann zum Motor 1.

Im gewählten Beispiel wird der Fahrzeugkühler 6 bedarfsweise über ein vom Elektro­ motor 8 angetriebenes Ventilatorrad 7 zwangsbelüftet. Die Überwachung der Zwangs­ belüftung erfolgt über eine Regelung 10, welche in Abhängigkeit von der an einem Sensor 9 anliegenden Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt die Anpassung der Ventilator­ leistung vornimmt. Die am Elektromotor 8 anliegende elektrische Spannung ist hierbei aus der Spannung einer auf Masse 12 liegenden Bordbatterie 11 abgeleitet.

Wesentlich für ein optimales Arbeiten des Verfahrens ist bei dieser Ausführung jedoch die zusätzliche Verarbeitung der momentanen Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. der Strömungs­ geschwindigkeit der Luft am Eintritt in den Fahrzeugkühler 6, welche hier durch einen Sensor 13 in die Regelung 10 miteinbezogen wird. Hier sind aber auch zahlreiche andere Ausführungen denkbar, wie z. B. das Einbinden der Regelstrategie für den Ventilator 7, 8 in das Motormanagement oder die Bereitstellung eines entsprechenden Signals für die Regelung 10 aus dem Motormanagement.

Claims (6)

1. Verfahren zur Beeinflussung des Kühlluftstromes eines vom Fahrtwind durch­ strömten Fahrzeugkühlers (6) und Motorraumes eines Kraftfahrzeuges mit Hilfe eines Ventilators (7, 8), dessen Ventilatorrad (7) je nach Kühlbedarf antreibbar, frei drehbar oder bis zum Stillstand abbremsbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Fahrtwindes bei Fahrsituationen mit möglichst großem Wärmebedarf im Motor (1) oder in der Fahrzeugkabine durch eine Umkehr der Drehrichtung des Ventilatorrades (7) re­ duziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdurchsatz durch den Wirkungsbereich des Ventilators (7, 8) in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwin­ digkeit bei Situationen mit Wärmedefizit nahezu verhindert oder zumindest so klein wie möglich gemacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilatorrad (7) auf elektrischem Wege durch einen Elektromotor (8) mit Stromversorgung (10, 11) angetrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilatorrad (7) durch Ausschalten der Stromversorgung (10, 11) gekoppelt mit einem Kurzschließen des Elektromotors (8) über einen Ohmschen Bremswiderstand beim Drehen im Fahrtwind auf eine reduzierte Drehzahl abbremsbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umkehren der Drehrichtung und das Abbremsen des Ventilatorrades (7) über eine entsprechende Regelung (10) der Stromversorgung (10, 11) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei hoher Fahrgeschwindigkeit die Drehbewegung des Ventilatorrades (7) vollständig abgebremst wird.