EP2013457B1

EP2013457B1 - Kühlsystem einer brennkraftmaschine mit zwei wärmetauschern

Info

Publication number: EP2013457B1
Application number: EP07711811.5A
Authority: EP
Inventors: Christoph Platz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: ES2626659T3; EP2013457A1; WO2007124812A1; DE102006019737A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit zwei Wärmetauschern sowie einer Kühlmittelpumpe, die zwei Einlässe und zwei Auslässe besitzt und ein in einer im Querschnitt kreisförmigen Pumpenkammer eines Pumpengehäuses drehbar angeordnetes Pumpenrad aufweist, wobei bei nicht von Kühlmittel durchströmten Wärmetauschern nur ein Einlass und beide Auslässe durchströmt sind.
Kühlsysteme für Brennkraftmaschinen sind bereits in vielfachen Formen bekannt geworden. So ist beispielsweise anhand der DE 40 30 200 C2 ein Motorkühlsystem bekannt geworden, welches eine über eine Kurbelwelle des Motor drehend angetriebene Kühlmittelpumpe besitzt, die zwei Auslässe besitzt, von denen jeweils einer in einen zugehörigen Einlass einer Zylinderbank eines V-Motors Kühlmittel entlässt und die Kühlmittelpumpe nur einen Saugleitungs-Einsatzabschnitt aufweist, also einen Einlass, über den Kühlmittel in die Kühlmittelpumpe einströmt und zwar in Richtung der Drehachse des Pumpenrads der Kühlmittelpumpe. Damit weist die Kühlmittelpumpe in Richtung der Drehachse des Pumpenrades eine große axiale Baulänge auf.
Anhand der DE 198 09 123 B4 ist eine Wasserpumpe für den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, wobei die Wasserpumpe eine axial verlaufende Sammelöffnung besitzt, in die Kühlmittel aus mehreren, mittels eines Drehschiebers verschließbaren Zulauföffnungen einströmen kann.
Ein Kühlsystem mit zwei Wärmetauschern und eine Pumpe mit zwei Einlässen und einem Auslass ist aus DE10055452 bekannt.
Schließlich ist anhand der DE 199 56 732 B4 eine Kühleinrichtung für einen Motor bekannt geworden, wobei die bei dieser Kühleinrichtung vorgesehene Wasserpumpe zwei Einlässe und zwei Auslässe besitzt, wobei ein erster Auslass bei kleinem aktivem Kreis durchströmt wird und der zweite Einlass bei großem aktivem Kreis durchströmt wird. Der kleine Kreis oder Kreislauf entspricht dabei dem Kühlmittelkreislauf während der Aufwärmphase des Motors, während also der Motor also noch nicht Betriebstemperatur erreicht hat und das Kühlmittel noch nicht durch einen entsprechenden Kühlmittel-Wärmetauscher geleitet wird. Der große Kreis entspricht dem gegenüber dem Kühlmittelkreislauf mit aktiv durchströmtem Kühlmittel-Wärmetauscher, wenn also der Motor bereits seine Betriebstemperatur erreicht hat. Fig. 11 dieser Druckschrift zeigt dabei, dass die Kühlmittelpumpe in Richtung der Drehachse des Pumpenrads angeströmt wird und somit wiederum eine große axiale Baulänge besitzt.
Soll nun eine Kühlmittelpumpe an einer Brennkraftmaschine vorgesehen sein, die zwei sich horizontal gegenüberliegende Zylinder besitzt, also einer Brennkraftmaschine in Boxerbauform oder Gegenläuferbauform, so kann die Kühlmittelpumpe über einen entsprechend ausgebildeten Kurbelwellenstumpf der Brennkraftmaschine direkt angetrieben werden, sodass die Kühlmittelpumpe beispielsweise an einer in Fahrtrichtung eines mit der Brennkraftmaschine ausgestatteten Fahrzeugs vorne liegenden Stirnseite der Brennkraftmaschine angeordnet werden, sodass eine in Drehachsrichtung des Pumpenrades der Brennkraftmaschine lange Bauform ausscheidet. Dies gilt insbesondere dann wenn es sich bei dem Fahrzeug um ein Motorrad handelt, bei dem der lichte Abstand zwischen der Stirnseite der Brennkraftmaschine und dem Vorderrad kurz bemessen ist und somit eine solche lange Bauform ausscheidet. Auch kann es bei einem solchen Motorrad aufgrund einer als Telelever-Vorderradführung bekannt gewordenen Ausgestaltung des Vorbaus des Motorrades notwendig sein, das Kühlsystem mit zwei voneinander unabhängigen Wärmetauschern auszustatten, von denen jeweils einer benachbart zu der beschriebenen Vorderradführung angeordnet ist.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Kühlsystem einer Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, dass der in Drehachsrichtung des Pumpenrades benötigte axiale Bauraum der Kühlmittelpumpe verglichen mit bekannten Kühlmittelpumpen deutlich verringert werden kann.
Die Erfindung weist nun zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung schafft nun ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit zwei Wärmetauschern sowie einer Kühlmittelpumpe, die zwei Einlässe und zwei Auslässe besitzt und ein in einer im Querschnitt kreisförmigen Pumpenkammer eines Pumpengehäuses drehbar angeordnetes Pumpenrad aufweist, wobei bei nicht von Kühlmittel durchströmtem Wärmetauschern nur ein Einlass und beide Auslässe durchströmt sind und bei von Kühlmittel durchströmten Wärmetauschern beide Einlässe und beide Auslässe durchströmt sind.
Wenn sich also die Brennkraftmaschine noch nicht auf Betriebstemperatur befindet, so wird bei aktivem kleinen Kreislauf die Kühlmittelpumpe durch nur einen Einlass und beide Auslässe durchströmt, während bei großem aktiven Kreislauf, wenn also beide Wärmetauscher durchströmt werden, beide Einlässe und beide Auslässe der Kühlmittelpumpe durchströmt werden. Es führt dies zu einer effizienten Durchmischung beider Kühlmittelkreisläufe beider Wärmetauscher und aufgrund des Wegfalles der Notwendigkeit der Bündelung der Kühlmittelkreisläufe aus beiden Wärmetauschern beispielsweise mittels eines T-Stückes vor dem Einlass der Kühlmittelpumpe zu einem weniger Bauraum benötigenden Kühlsystem. Der Einsatz eines solchen T-Stückes vor dem Einlass der Kühlmittelpumpe wäre dann erforderlich, wenn die Kühlmittelpumpe nur einen Einlass besitzt, wie dies bei bekannten Kühlmittelpumpen der Fall ist oder bei Kühlmittelpumpen der Fall ist, die zwar zwei Einlässe besitzen, von denen aber in Abhängigkeit davon, ob der große Kühlkreislauf oder der kleine Kühlkreislauf aktiv ist, nur ein Einlass durchströmt wird.
Eine in Richtung der Drehachse des Pumpenrads kurze Bauform der Kühlmittelpumpe kann dadurch erreicht werden, dass die Einlässe und Auslässe von sich vom Pumpengehäuse jeweils paarweise parallel weg gerichtet erstreckenden rohrstückförmigen Ansätzen gebildet sind. Damit wird eine Konfiguration der Kühlmittelpumpe erreicht, bei der jeweils ein Einlass parallel zu einem Auslass verläuft und die Einlässe und Auslässe dabei beispielsweise im rechten Winkel zur Drehachse des Pumpenrads verlaufen, sodass die Kühlmittelpumpe in Drehachsrichtung des Pumpenrads eine ausgesprochen kurze Bauweise aufweist.
Um nun in der Pumpenkammer des Pumpengehäuses eine gute Durchmischung des durch die beiden Einlässe in die Pumpenkammer einströmenden Kühlmittels mit entsprechendem Temperaturausgleich und damit gleicher Temperatur beider vom jeweiligen Auslass der Kühlmittelpumpe angeströmter Zylinder des Boxermotors zu erreichen, ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass die Einlässe und Auslässe relativ zur Drehachse des Pumpenrads einander kreuzweise gegenüberliegend und in Richtung der Drehachse des Pumpenrads versetzt angeordnet sind. Somit wird es erreicht, dass die durch die beiden Einlässe in die Pumpenkammer einströmenden Kühlmittelströme nicht beispielsweise stumpf aufeinander stoßen, was strömungstechnisch ungünstig ist, sondern die einströmenden Kühlmittelströme im radialen Abstand von der Drehachse des Pumpenrads aus betrachtet auf das Pumpenrad treffen und so auch für einen geringen Energiebedarf für die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe sorgen. Das so in die Pumpenkammer einströmende Kühlmittel kann nun im Pumpenrad vorgesehene Durchlässe zur Strömung des Kühlmittels von der Saugseite, also der Einlassseite, zur Druckseite, also der Auslassseite durchströmen, wobei zu diesem Zweck die Einlässe und Auslässe in Richtung der Drehachse des Pumpenrads versetzt zueinander angeordnet sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die Einlässe relativ zur Pumpenkammer derart angeordnet, dass das Kühlmittel das Pumpenrad vom Außenumfang des Pumpenrads her tangential beaufschlägt. Um nun zu vermeiden, dass die in die Pumpenkammer eintretenden beiden Kühlmitteleinlassströme vor der Beaufschlagung des Pumpenrads strömungstechnisch ungünstig aufeinander treffen, ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Pumpenkammer eine die Kühlmitteleinlassströme vor der Beaufschlagung des Pumpenrads voneinander trennende Trennwand besitzt, die sich von einer Außenwand des Pumpengehäuses in Richtung zu einer Stirnseite des Pumpenrads erstreckt. Damit werden die beiden Kühlmitteleinlassströme so in die Pumpenkammer geleitet, dass sie von dem sich drehenden Pumpenrad über die Durchlässe des Pumpenrads auf die Auslassseite unter aktiver Durchmischung der beiden Kühlmitteleinlassströme in der Pumpenkammer befördert werden.
Damit das Pumpenrad von einem Kurbelwellenstumpf der Brennkraftmaschine formschlüssig angetrieben werden kann, kann es an seiner zum Eingriff mit dem Kurbelwellenstumpf vorgesehenen Seite eine formschlüssig ausgebildete Nabe besitzen, mit der das Pumpenrad eine formschlüssige Wellen-Naben-Verbindung mit dem Kurbelwellenstumpf ausbildet und somit eine axiale Baulänge benötigende Zwischenschaltung eines Hilfsantriebs vermieden wird.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Zweizylinder-Boxermotor und zwei Wärmetauschern;
Fig. 2 eine Ansicht auf eine Kühlmittelpumpe von ihrer Rückseite her;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Darstellung der Kühlmittelpumpe nach Fig. 2 in einer Ansicht von schräg oben;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Kühlmittelpumpe;
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung der Kühlmittelpumpe nach Fig. 1;
Fig. 6 eine perspektivische Draufsichtansicht auf die Kühlmittelpumpe von vorne; und
Fig. 7 eine geschnittene perspektivische Darstellung der Kühlmittelpumpe zur Erläuterung der Strömungsbahnen.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems nach der vorliegenden Erfindung mit einem Zweizylinder-Boxermotor als Brennkraftmaschine. Der Motor 1 weist zwei Zylinder 2, 3 auf, die von dem im Kühlsystem zirkulierenden Kühlmittel durchströmt werden. Im Kühlsystem befindet sich ein nur schematisch dargestellter Thermostat 4, der so ausgebildet ist, dass er das Kühlsystem vom kleinen Kreis oder Kreislauf auf den großen Kreis oder Kreislauf umschalten kann. Befindet sich der Motor 1 in der Aufwärmphase, hat er also seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht, so sorgt der Thermostat 4 dafür, dass das von einer Kühlmittelpumpe 5 im Kühlsystem umgepumpte Kühlmittel zwar durch die Zylinder 2, 3 gepumpt wird, nicht aber durch Wärmetauscher 6, 7 im Kühlsystem.
Hat nun der Motor 1 seine Betriebstemperatur erreicht, so sorgt der Thermostat 4 dafür, dass auch die beiden Wärmetauscher 6, 7 vom Kühlmittel durchströmt werden.
Die Kühlmittelpumpe 5 weist nun zwei Einlässe 8, 9 und zwei Auslässe 10, 11 auf. Wenn nun der kleine Kreis aktiv ist, so tritt Kühlmittel in die Kühlmittelpumpe 5 nur über einen Einlass 8 ein und verlässt das Kühlmittel durch beide Auslässe 10, 11 und tritt von dort durch Zylindereinlässe 12, 13 in einen entsprechenden Kühlmittelmantel der Zylinder 2, 3 ein. Nachdem das Kühlmittel die Zylinder 2, 3 durchströmt hat, verlässt es nach einer entsprechenden Erwärmung diese durch Zylinderauslässe 14, 15 und strömt in Pfeilrichtung zum Thermostat 4. Hat der Motor 1 seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht, so sorgt der Thermostat 4 dafür, dass das Kühlmittel zum Einlass 8 der Kühlmittelpumpe 5 zurückströmt.
Hat dahingegen der Motor 1 seine Betriebstemperatur erreicht, so sorgt der Thermostat 4 dafür, dass das aus den Zylinderauslässen 14, 15 ausströmende erhitzte Kühlmittel über entsprechende Wärmetauschereinlässe 16, 17 der Wärmetauscher 6, 7 die Wärmetauscher durchströmt und über entsprechende Wärmetauscherauslässe 18, 19 wieder in Richtung zur Kühlmittelpumpe 5 strömt. Ist nun dieser große Kreis aktiv, werden also die beiden Wärmetauscher 6, 7 durchströmt, so strömt das Kühlmittel in die Kühlmittelpumpe 5 sowohl über den Einlass 8 als auch über den Einlass 9 ein und verlässt die Kühlmittelpumpe 5 über die Auslässe 10, 11 und tritt wieder in die Zylinder 2, 3 ein.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt nun in einer Ansicht von der Rückseite her die Kühlmittelpumpe 5 mit ihren Einlässen 8, 9 und ihren Auslässen 10, 11. Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, liegen die beiden Einlässe 8, 9 bezogen auf die Drehachse des in Fig. 3 ersichtlichen Pumpenrads 20 einander kreuzweise gegenüber und auch die Auslässe 10, 11 liegen einander kreuzweise gegenüber. Die Auslässe 10, 11 liegen dabei in Achsrichtung der Drehachse des Pumpenrads 20 versetzt zu den Einlässen 8, 9.
Fig. 4 der Zeichnung nun zeigt eine Schnittdarstellung der Kühlmittelpumpe 5 mit ihrem Pumpengehäuse 21 und einer im Pumpengehäuse 21 ausgebildeten, im Querschnitt kreisförmigen Pumpenkammer 22. In der Pumpenkammer 22 ist das Pumpenrad 20 drehbar aufgenommen. Das Kühlmittel strömt über einen Einlass 8 in das Pumpengehäuse 21 ein und wird dort von einer Trennwand 23, die sich von einer Außenwand 24 des Pumpengehäuses 21 in Richtung zu einer Stirnseite 25 des Pumpenrads 20 erstreckt, daran gehindert, in den Raum 26 zu strömen, der den Einströmbereich des aus dem Einlass 9 in das Pumpengehäuse 21 einströmenden Kühlmittels darstellt, sodass die durch die beiden Einlässe 8, 9 eintretenden Kühlmittelteilströme nicht stumpf aufeinander treffen und damit strömungsungünstig.
Das über den Einlass 8 einströmende Kühlmittel durchströmt eine Durchlass 27 des Pumpenrads und gelangt von dort in den Bereich eines im Pumpengehäuse 21 gebildeten Raumes 28, von dem aus es über den Auslass 10 zu dem Zylindereinlass 13 des Zylinders 3 strömen kann.
Das Pumpenrad 20 besitzt eine Nabe 29, mit der es in einen formschlüssigen Eingriff mit einem nicht näher dargestellten Kurbelwellenstumpf des Motors 1 gebracht werden kann, um von der Kurbelwelle direkt in Drehung versetzt werden zu können.
Fig. 5 der Zeichnung nun zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung der Kühlmittelpumpe nach Fig. 2, bei der die Außenwand 24 weggelassen worden ist. Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, strömt über die Einlässe 8, 9 Kühlmittel auf das Pumpenrad 20 zu und zwar tangential vom Außenumfang des Pumpenrads 20 her und die beiden Kühlmittelteilströme werden dabei von der Trennwand 23 daran gehindert, vor der Beaufschlagung des Pumpenrads 20 strömungsungünstig aufeinander zu treffen.
Fig. 6 der Zeichnung nun zeigt die Kühlmittelpumpe 5 in einer perspektivischen und schräg gestellten Darstellung, wobei hier wiederum ersichtlich ist, dass die Einlässe 8, 9 und die Auslässe 10, 11 in Drehachsrichtung des Pumpenrads 20 axial versetzt zueinander angeordnet sind, sich also in axial versetzt zueinander angeordneten Ebenen befinden.
Schließlich zeigt Fig. 7 noch eine geschnittene perspektivische Darstellung der Kühlmittelpumpe 5 in einer Ansicht schräg von oben, wobei zur Vereinfachung der Darstellung der Einlass 8 der Kühlmittelpumpe 5 weggelassen wurde. Fig. 7 dient der Erläuterung der Strömungsverhältnisse und zeigt die Strömungsbahn des Kühlmittels anhand von Pfeilen 30. Das Kühlmittel tritt über einen Einlass 9 - der zweite Einlass 8 ist aufgrund einer Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung weggelassen worden - in das Pumpengehäuse 21 ein und durchtritt über Durchlässe 27 im Pumpenrad 20 das Pumpenrad von der Saugseite zur Druckseite und wird dort über Auslässe 10, 11 ausgetragen, um in die Zylindereinlässe 12, 13 der Zylinder 2, 3 einzutreten.
Die Erfindung schafft nunmehr Kühlmittelpumpe von in Drehachsrichtung des Pumpenrads ausgesprochen kurzer Bauform. Durch die Ausbildung der Kühlmittelpumpe derart, dass das Kühlmittel über zwei Einlässe in das Pumpengehäuse eintreten kann und zwar tangential zum Außenumfang des Pumpenrads, wird diese axiale kurze Bauform der Kühlmittelpumpe erreicht. In der Pumpenkammer der Kühlmittelpumpe findet eine effiziente Durchmischung der über die beiden Einlässe einströmenden Kühlmittelteilströme statt und damit ein effizienter Temperaturausgleich des Kühlmittels, sodass bei Anwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems an einer Zweizylinderbrennkraftmaschine ein gleichmäßiger Temperaturhaushalt beider Zylinder erreicht wird.

Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

Bezugszeichenliste

1	Motor	21	Pumpengehäuse
2	Zylinder	22	Pumpenkammer
3	Zylinder	23	Trennwand
4	Thermostat	24	Außenwand
5	Kühlmittelpumpe	25	Stirnseite
6	Wärmetauscher	26	Raum
7	Wärmetauscher	27	Durchlass
8	Einlass	28	Raum
9	Einlass	29	Nabe
10	Auslass	30	Pfeile
11	Auslass
12	Zylindereinlass
13	Zylindereinlass
14	Zylinderauslass
15	Zylinderauslass
16	Wärmetauschereinlass
17	Wärmetauschereinlass
18	Wärmetauscherauslass
19	Wärmetauscherauslass
20	Pumpenrad

Claims

Kühlsystem einer Brennkraftmaschine mit zwei mit einem jeweiligen Wärmetauscherauslass (18, 19) versehenen Wärmetauschern (6, 7) sowie einer Kühlmittelpumpe (5) mit zwei mit jeweils einem Wärmetauscherauslass (18, 19) verbundenen Einlässen (8, 9) und zwei Auslässen (10, 11), wobei die Kühlmittelpumpe (5) ein in einer im Querschnitt kreisförmigen Pumpenkammer (22) eines Pumpengehäuses (21) drehbar angeordnetes Pumpenrad (20) aufweist, und das Kühlsystem einen Thermostat (4) besitzt, der so ausgebildet ist, dass bei nicht von Kühlmittel durchströmten Wärmetauschern (6, 7) nur ein Einlass (8) und beide Auslässe (10, 11) durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem so ausgebildet ist, dass bei von Kühlmittel durchströmten Wärmetauschern (6, 7) beide Einlässe (8, 9) und beide Auslässe (10, 11) durchströmt sind und die Einlässe (8, 9) und Auslässe (10, 11) von sich vom Pumpengehäuse (21) jeweils paarweise parallel weg gerichtet erstreckenden rohrstückförmigen Ansätzen gebildet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (8, 9) und Auslässe (10, 11) relativ zur Drehachse des Pumpenrads (20) einander kreuzweise gegenüberliegend und in Richtung der Drehachse versetzt angeordnet sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe (8, 9) relativ zur Pumpenkammer (22) derart angeordnet sind, dass das Kühlmittel das Pumpenrad (20) vom Außenumfang des Pumpenrads (20) her tangential beaufschlägt.
Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenkammer (22) eine die beiden Kühlmitteleinlassströme vor der Beaufschlagung des Pumpenrads (20) voneinander trennende Trennwand (23) besitzt, die sich von einer Außenwand des Pumpengehäuses (21) in Richtung zu einer Stirnseite (25) des Pumpenrads (20) erstreckt.
Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Kühlmitteleinlassströme in der Pumpenkammer (22) durchmischen.
Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (20) eine zum formschlüssigen Eingriff mit einem Kurbelwellenstumpf der Brennkraftmaschine ausgebildete Nabe (29) besitzt.
Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (20) Durchlässe (27) besitzt zum Durchtritt von Kühlmittel von der Einlassseite der Pumpenkammer (22) zur Auslassseite.
Kühlsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine zwei sich horizontal gegenüberliegende Zylinder (2, 3) besitzt.