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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung
eines Motors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Kraftfahrzeug
mit einer solchen Vorrichtung.
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US 3,937,192 beschreibt
verschiedene Versionen eines über eine Lüfterhaube
an einen Kühlmittelkühler angeschlossenen Lüfters,
der über Treibriemen von einem Verbrennungsmotor unmittelbar
angetrieben ist. Dabei liegt jeweils ein Luftspalt zwischen einer
Wand der Lüfterhaube und dem axial fördernden
Lüfter vor, durch den über Staudruck bei Fahrt
des Kraftfahrzeugs ein Luftstrom an dem Lüfter vorbeiströmt,
so dass eine Rückströmung von den äußeren
Enden der Lüfterblätter in den Bereich zwischen
Wärmetauscher und Lüfter vermieden wird. Der gesamte
Luftstrom tritt aus der Lüfterhaube in Richtung der Lüfterachse
aus.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung
eines Motors anzugeben, bei der in verschiedenen Betriebszuständen
eine jeweils optimale Durchströmung des Wärmetauschers
mit kühlender Luft gewährleistet ist.
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Diese
Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch
die Abströmung der Spaltströmung in den Außenraum
in zumindest teilweise radialer Richtung ist eine wirkungsvolle
Abfuhr zumindest eines Teils der erwärmten Luft gewährleistet,
ohne dass die Luft nach kurzer Strömungsdistanz z. B. auf
den Motorblock trifft, verwirbelt wird und nach Art eines Strömungskurzschlusses
wieder in den Bereich des Wärmetauschers gerät.
Insbesondere kann dabei ein radial vom Rand des Lüfters
abgehender Strömungsanteil die radiale Richtung der Spaltströmung
unterstützen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der
Winkel zwischen einer Hauptrichtung der Spaltströmung und
der Lüfterachse zumindest etwa 30°. Besonders
vorteilhaft beträgt der Winkel zumindest etwa 45° und
insbesondere bevorzugt zumindest etwa 65°. Mit zunehmendem
Winkel wird weitergehend vermieden, dass die in den Außenraum
abgeleitete Luft mit dem heißen Motorblock kollidiert, verwirbelt
und in den Bereich des Wärmetauschers zurückgeführt
wird.
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Zur
Unterstützung der radialen Abströmung der Spaltströmung
in den Außenraum ist vorteilhaft ein an den Lüfter
angrenzender Rand der Lüfterhaube unter einem Winkel zu
der Lüfterachse nach außen geneigt. Dies ermöglicht
die Funktion einer radialen Ableitung der Luft nach Art eines Leitblechs.
Besonders vorteilhaft schließt dabei der Rand der Lüfterhaube
in axialer Richtung im Wesentlichen in einer Ebene mit dem Lüfter
ab. Hierdurch kann Luft, die von den Enden der Lüfterschaufeln
weitgehend radial abströmt, radial austreten und die Spaltströmung unterstützen
und/oder sich mit ihr vermischen. In diesem Sinn ist ganz besonders
vorteilhaft vorgesehen, dass der Lüfter auf der Seite des
Außenraums in axialer Richtung über den Rand der
Lüfterhaube hinausragt. In diesem Bereich kann die radial
von den Rändern des Lüfters nach außen
beschleunigte Luft optimal radial abströmen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat der Lüfter
eine Mehrzahl von radial gerichteten Lüfterschaufeln mit
zumindest abschnittsweise offenen Enden, wobei über die
offenen Enden im Wesentlichen radial nach außen abströmende
Luft an dem Spalt vorbeiströmt. Durch das Vorbeiströmen an
dem Spalt wird nach Art eines Venturi-Effekts eine dynamische Druckerniedrigung
im Bereich des Spalts erzeugt, so dass die Spaltströmung
unterstützt oder sogar generiert wird. In diesem Sinne
ist die radiale Strömung der Lüfterspitzen eine
Treibströmung zur Erzeugung eines Unterdrucks auf eine zweite
Strömung (Saugströmung), so dass insgesamt die
Förderleistung des Lüftersystems bei gegebener
Lüfterdrehzahl erhöht wird. Hierdurch wird die Öffnungsfläche
der Lüfterhaube in den Außenraum hinein vergrößert
und entsprechend der Volumenstrom der Luft verbessert. Dabei wird
selbst unter ungünstigen Bedingungen, z. B. bei reinem
Saugbetrieb des Lüfters und keiner Unterstützungswirkung durch
Fahrtwind, eine Rückströmung vom Außenraum
in den Lüfterraum durch den Spalt wirkungsvoll vermieden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist der Spalt als ein von einer ersten, den Lüfter
umfangenden Wandung und einer zweiten, die erste Wandung umfangenden Wandung
begrenzter Spaltkanal ausgebildet. Besonders bevorzugt weist dabei
der Spaltkanal einen sich in Strömungsrichtung verengenden
Querschnitt auf. Hierdurch ist eine Düsenwirkung gegeben,
durch die insbesondere ein an dem Spalt vorbeiströmender Luftstrom
eine Sogwirkung auf in dem Spaltkanal befindliche Luft ausüben
kann.
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Weiterhin
vorteilhaft ist die erste Wandung ortsfest zu dem Lüfter
angeordnet und die zweite Wandung ist ortsfest zu der Lüfterhaube
angeordnet. Dies kann z. B. dann zweckmäßig sein,
wenn der Lüfter ein mechanisch angetriebener und mit dem
Motor verbundener Lüfter ist, so dass grundsätzlich
eine gewisse Bewegung oder Vibration zwischen dem Lüfter
relativ zu der Lüfter haube auftritt. Die erste Wandung
bildet dann eine Umfangung des Lüfters nach Art einer Lüfterzarge.
Aus dem Stand der Technik ist es bei solchen Anordnungen bekannt,
einen Rand der Lüfterhaube mit der Lüfterzarge über
eine elastische Dichtlippe zu verbinden, um insgesamt einen möglichst
dicht umschlossenen Lüfter bereitzustellen. Bei der erfindungsgemäßen
Lösung einer radialen Abströmung der Luft insbesondere
in Verbindung mit einem Saugstromeffekt kann auf solche Mittel verzichtet
werden. In einer alternativen Ausführung ist es grundsätzlich
möglich, dass die erste Wandung und die zweite Wandung
des Spaltkanals beide an der Lüfterhaube angeordnet sind,
insbesondere wenn die Vibrationsbewegungen des Lüfters
relativ zu der Lüfterhaube ausreichend klein sind. In diesem
Fall kann dann auf einfache Weise z. B. die Lüfterhaube
mit beiden Wandungen als Spritzgussteil ausgebildet sein, wobei
die Wandungen durch mehrere radiale Stege fest miteinander verbunden sind.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen,
dass der Spaltkanal ein bewegliches Abdeckmittel aufweist, wobei
der Querschnitt des Spaltkanals je nach Stellung des Abdeckmittels
verändert ist. Vorteilhaft kann das Abdeckmittel im Wesentlichen
die zweite Wandung umfassen, wobei die zweite Wandung insbesondere
aus einem flexiblen Material bestehen kann. In vorteilhafter Detailgestaltung
hat der Spaltkanal zudem Anschlagmittel zur Anlage des Abdeckmittels
insbesondere in einer maximal geschlossenen Stellung. Insgesamt
hat der Spaltkanal einen veränderlichen Querschnitt nach
Art einer Staudruckklappe, so dass er bei geringem Staudruck im
Strömungsraum zumindest teilweise geschlossen ist und sich
mit zunehmendem Staudruck öffnet.
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Eine
zunehmende Öffnung des Abdeckelements kann auch durch einen
Venturi-Effekt eines von dem Lüfter radial ausgehenden
Treibstroms induziert werden. Jedenfalls kann durch das Abdeckelement
besonders sicher vermieden werden, dass bei ungünstiger
Lüfterdrehzahl und niedrigem Druck im Strömungsraum
ein Luftstrom vom Außenraum durch den Spalt in den Strömungsraum
auftreten kann. Zudem kann insgesamt die maximal mögliche Öffnung
des Spalts durch ein solches Abdeckelement besonderes groß ausgelegt
werden, wodurch die Anpassung der Vorrichtung an verschiedene Betriebszustände
weiter optimiert ist.
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Bei
einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform
kann die erste Wandung als mitlaufender Mantel des Lüfters
ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft überdeckt dabei
der Mantel die Lüfterschaufeln in axialer Richtung nur
teilweise, wodurch im Bereich der nicht überdeckten Lüfterschaufeln
bevorzugt eine radiale Abströmung der Luft über
die freien Endbereiche der Lüfterschaufeln stattfindet. Diese
radial abströmende Luft kann dann zwischen der als mitlaufender
Mantel ausgebildeten ersten Wandung und der an der Lüfterhaube
vorgesehenen ortsfesten zweiten Wandung einen Saugstrom generieren.
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Allgemein
bevorzugt kann zur weiteren Optimierung des Strömungsverhaltens
in der Lüfterhaube zumindest eine Staudruckklappe vorgesehen sein.
Staudruckklappen sind zumindest aus dem Bereich der Personenkraftwagen
bekannt, um bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten eine größere
Durchströmung des Strömungsraums zu gewährleisten,
da der Lüfter in einem solchen Betriebszustand häufig "überblasen"
ist.
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Allgemein
bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Lüfter an dem Motor
angeordnet ist und von diesem angetrieben wird. Dabei kann vorteilhaft
die Drehzahl des Lüfters relativ zu der Drehzahl des Motors
veränderbar sein, insbesondere mittels eines Kupplungsglieds.
Mögliche Kupplungsglieder zur Veränderung der
Drehzahl können eine einfache Ein-/Aus-Kupplung sein oder
auch eine die Drehzahl variabel einstellende Visko-Kupplung oder
andere bekannte Kupplungsarten. Durch die Optimierung des Luftstroms
je nach Betriebsart durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung kann dann die zumin dest zeitlich gemittelte Antriebsleistung
des Lüfters minimiert werden, da die Durchströmung
des Wärmetauschers mit kühlender Luft verbessert
wurde. Die Minimierung der Antriebsleistung des Lüfters
führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs des
Motors sowie zu weiteren vorteilhaften Effekten wie einer mittleren
Geräuschreduzierung.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Kühlung eines Motors nach einem der Ansprüche
1 bis 18. Bevorzugt ist das Kraftfahrzeug dabei als ein Nutzfahrzeug,
insbesondere ein Lastkraftwagen, ausgebildet. Gerade bei üblichen
Bauformen von Hauptkühlern von Lastkraftwagen ist die Anordnung von
mechanisch angetriebenen Lüftern am Motor weit verbreitet.
Bei solchen Fahrzeugen steht auch regelmäßig oberhalb
des Motors ausreichend Raum zur Verfügung, um die von dem
Spalt in zumindest teilweise radialer Richtung abströmende
Luft abzuführen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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2 zeigt
eine Ausschnittsvergrößerung des Ausführungsbeispiels
aus 1 zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der
Vorrichtung.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 zeigt
eine Weiterbildung der Vorrichtung aus 3;
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5 zeigt
eine Draufsicht auf die Lüfterhaube aus 4.
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6 zeigt
eine schematische Darstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels
der Erfindung mit einem Mantellüfter.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Wärmetauscher 1,
der als Kühlmittelkühler eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs, vorliegend eines Lastkraftwagens, ausgebildet
ist. Der Kühlmittelkühler 1 ist auf bekannte
Weise als flächiges Element geformt, das im Frontbereich
des Fahrzeugs quer zur Fahrtrichtung angeordnet ist und vom Fahrtwind
durchströmt werden kann.
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Der
Kühlmittelkühler 1 ist im vorliegenden Fall
vollständig von einer Lüfterhaube 2 überdeckt, wobei
zwischen dem Wärmetauscher 1 und einer Rückwand 2a der
Lüfterhaube 2 ein Strömungsraum 3 zur
Durchströmung mit aus dem Kühlmittelkühler 1 austretender
Luft umschlossen ist.
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Außerhalb
der Lüfterhaube 2, die den Strömungsraum 3 umschließt,
ist ein Außenraum 4 definiert, in den die die
Lüfterhaube verlassende Luft eintritt. Im Bereich ihrer
Rückwand 2a hat die Lüfterhaube hierzu
eine Öffnung 2b, die von einer kreisringförmigen
Wandung 5 umfangen ist. Die kreisringförmige Wandung 5 verläuft
im Querschnitt radial nach außen gerichtet in gebogener
Form, wobei ein Endbereich 5a der Wandung 5 in
einem Winkel von etwa 65° relativ zu einer axialen Richtung
des Hauptluftstroms gerichtet ist.
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In
der Öffnung 2b ist ein Lüfter 6 angeordnet, der
von einer Wandung 7 nach Art einer Lüfterzarge umfangen
ist. Die Lüfterzarge 7 und der Lüfter 6 sind jeweils
fest mit einem Verbrennungsmotor 10 des Kraftfahrzeugs
verbunden, so dass der Spalt zwischen Lüfter 6 und
Wandung 7 klein ausgelegt werden kann.
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Die
Lüfterzarge oder auch erste Wandung 7 ist ähnlich
der Wandung 5 der Lüfterhaube 2 geformt, so
dass zwischen den Wandungen 5, 7 ein Spaltkanal 8 ausgebildet
ist. Dabei verjüngt sich der Abstand zwischen den Wandungen 5, 7 in
Strömungsrichtung der Luft von Strömungsraum 3 in
den Außenraum 4.
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Der
Lüfter 6 ist ein Axiallüfter mit in radialer Richtung
offenen Lüfterschaufeln 6a. Die Lüfterschaufeln 6a sind
in einer Ebene mit einer außenraumseitigen Berandung der
Lüfterzarge bzw. ersten Wandung 7 angeordnet,
wobei ein hinteres Ende der Lüfterschaufeln 6a in
axialer Richtung etwas über einen hinteren Rand 7a der
ersten Wandung 7 hinausragt.
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In
der vergrößerten Darstellung nach 2 ist
mittels der, die Luftströmungen andeutenden Pfeilen die
Funktion der Vorrichtung erläutert. Die radial offenen
Lüfterschaufeln des Lüfters 6 bewirken
bei Betrieb des Lüfters an ihren radialen Endbereichen eine
radiale Abströmung von Luft, die durch die Pfeile A angedeutet
ist. Diese radiale Abströmung A ist in einem recht steilen
Winkel von 70 bis 80° relativ zu der Lüfterachse 6b gerichtet
und strömt an dem Austrittsspalt 8a des Spaltkanals 8 vorbei.
Hierdurch wird in dem Spaltkanal 8 nach Art eines Venturi-Effekts ein
verminderter Druck erzeugt, so dass eine Saugströmung B
aus dem Spaltkanal 8 austritt. Die Saugströmung
B hat dabei ebenfalls eine deutlich radiale Komponente, so dass
die resultierende Gesamtströmung mit einem Winkel von etwa
65° den Randbereich des Lüfters verlässt.
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Bei
der vorliegenden Anordnung wird durch den Venturi-Effekt des Treibstroms
A auf den Spaltkanal 8 und der Erzeugung eines Saugstroms
B sichergestellt, dass auch bei ungünstigen Druckverhältnissen
von Strömungsraum 3 und Außenraum 4 kein
Luftstrom von außen durch den Spaltkanal 8 in den
Strömungsraum 3 strömen kann und somit
ein aerodynamischer Kurzschluss vermieden ist. Andererseits stellt
der Spaltkanal 8 bei gegebe nen Lüftermaßen
und gegebener Lüfterdrehzahl eine vergrößerte
Austrittsöffnung der Lüfterhaube 2 dar.
Bei höheren Fahrtgeschwindigkeiten besteht grundsätzlich die
Problematik eines möglichen Überblasens des Lüfters,
die durch die zusätzliche Öffnung in der Lüfterhaube
mittels des Ringspalts 8 bei gegebener Größe
des Lüfters 6 verringert oder vermieden wird.
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Bei
gegebener Lüftergröße und Lüfterleistung
ist somit durch den Ringspalt der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, insbesondere in Verbindung mit dem Venturi-Effekt der
radial vom Lüfter über den Ringspalt 8 abströmenden
Luft, eine Optimierung der Kühlleistung der Vorrichtung
bei verschiedenen Betriebszuständen gegeben.
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In 3 ist
eine zweckmäßige Weiterbildung der in 1 und 2 gezeigten
Vorrichtung dargestellt. Dabei ist der Bereich der zweiten Wandung 5 der
Lüfterhaube 2 aus einem flexiblen Material ausgebildet
wie etwa einer Folie oder Gummi. Die zweite Wandung 5 kann
aufgrund ihrer flexiblen Eigenschaften radial nach innen geneigt
sein oder radial nach außen. Im ersten Fall wird der Querschnitt
des Strömungsspaltes 8 verringert, wobei sogar
ein Anliegen der flexiblen Wandung 5 an der ersten Wandung 7 zu einem
vollständigen Verschließen des Strömungskanals 8 führen
kann. In 3 sind beide Extrempositionen
der flexiblen Wandung 5 dargestellt. Die Wandung 5 bildet
somit ein bewegliches Abdeckelement zur Veränderung des
Querschnitts des Strömungsspalts 8 aus. Vorteilhaft
ist hierbei, dass auch bei besonders ungünstigen Druckverhältnissen,
bei denen selbst der Venturi-Effekt durch den Lüfter 6 keine
korrekte Strömung durch den Spaltkanal 8 vom Strömungsraum 3 in
den Außenraum 4 sicherstellt, eine Gegenströmung
und somit ein aerodynamischer Kurzschluss vermieden ist. Zudem kann
hierdurch die maximal mögliche Öffnung des Spaltes 8 größer ausgelegt
werden.
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4 und 5 zeigen
eine zweckmäßige Weiterbildung des Ausführungsbeispiels
aus 3, bei der an der Lüfterhaube 2 stegartige
Anschlagmittel 9 vorgesehen sind, so dass das flexible
Abdeckmittel 5 in radial innerer Richtung eine Begrenzung hat.
Hierdurch kann ein Umstülpen des flexiblen Abdeckmittels 5 in
den Strömungsraum 3 hinein verhindert werden.
In der vorderseitigen schematischen Draufsicht auf die Lüfterhaube 2 gemäß 5 sind ebenfalls
die radial nach innen gerichteten Anschlagstege 9 dargestellt,
die nicht bis zur Berührung mit der Lüfterzarge 7 reichen,
da aufgrund der Vibrationen des Motors relativ zu dem Kühlmittelkühler 1 ein entsprechender
Mindestabstand vorgesehen werden sollte.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei der der Spaltkanal 8 zwischen einer mit
dem Lüfter rotierenden Wandung 7' und einer wie
in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen einstückig
mit der Lüfterhaube 2 ausgeformten zweiten Wandung 5 ausgebildet
ist. Die rotierende Wandung 7' ist dabei nach Art eines
Mantels des Lüfters 6 geformt, der in axialer Richtung
die Lüfterschaufeln 6a nur teilweise überdeckt.
Ein außenraumseitiger Bereich der Lüfterschaufeln 6c ist
nicht von der Ummantelung 7' überdeckt und hat
radial freie Endbereiche, so dass hier eine starke radiale Abströmung
A von Luft erfolgt, um den Venturi-Effekt im Bereich des Spaltkanals 8 zu bewirken.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist
der Spaltkanal 8 jeweils als ringförmiger Kanal
um den Umfang des Lüfters 6 herum ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf eine solche vollumfängliche
kreisringartige Ausformung des Spaltkanals 8 beschränkt.
Je nach Auslegung der Lüfterhaube und des Wärmetauschers
und der Anordnung des Lüfters relativ zu der Lüfterhaube
kann der Spaltkanal 8 auch von der Kreisringform abweichen
oder nur in einem Teilsegment des Lüfters vorgesehen sein.
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Allgemein
vorteilhaft können bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen
eine oder mehrere zusätzliche Staudruckklappen in der Lüfterhaube vorgesehen
sein.
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Es
versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale der einzelnen zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispiele auf sinnvolle Weise
miteinander kombiniert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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