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Kühlsystem insbesondere für Kraftfahrzeuge
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Bei den bekannten Kühlsystemen, insbesondere für Kraftfahrzeuge wird
Kühlmittel von einer Pumpe in einem geschlossenen Kreislauf durch den zu kühlenden
Verbrennungsmotor und anschliessend durch ein Wärmeaustauschersystem (Kühler) gepumpt,
welches von einem Ventilator belüftet wird.
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Um den Motor möglichst schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen,
wird nach dem Anlassen des kalten Motors das Kühlmittel von der Pumpe zunächst in
einem Kurzschlußkreislauf sofort wieder dem Motor zugeführt ohne den Kühler zu durchlaufen.
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Lin Thermostat, der bei Erreichen einer unteren Sollbetriebstemperatur
des @otors anspricht, schaltet dann den Wasserkreislauf derart um, cian der Kurzschlußkreislauf
abgesperrt und der eigentliche Kühlkreis geöffnet wira.
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Isei den herkömmlichen Ventilatoraiitrieben, aie über Keilriemen oder
sonstige übertragungsmittel uirekt vom Motor iiire Lneryie bezogen, war es störend,
daß bei hoher Motordrehzahl die Leistungsaufnahme der Ventilatoren unvertretbar
hoch anstieg.
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@berdies stört, daß auch während des @rwärmen des motors der Ventilator
bereits angetrieben wird, obwohl zu diesem fieitpünkt gar kein Bedarf dafür besteht.
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Aus diesen Gründen ist ma in letzter Zeit aazu übergegangen, den Ventilator
nicht mehr direkt vom Motor anzutreiben, sondern über eine Ixupplung von diesem
zu trennen. Die Kupplung wird dann meist über einen Thermostat temperaturabhängig
von der Temperatur des Kühlwassers geschaltet.
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Auch die Verwchdung eines elektromotorisch angetriebenen Ven-@ilators
wurde in vie@en Fahrzedgen als B@sung vorgeschen @@ die beschrie@enen @achteile
zu ver@eiden.
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Die @isherigen @osungen sind relativ aufwendig und teuer.
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Aus diesom Grund wird erfindungsgendß eine neuartige @ösang vorgeschlagen,
welche einerseits den @rfordernissen gerecht wird und ohne zusätzliche Steuermittel
für die Kupplung des Ventilators auskomm@ .
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@in derartiges erfindungsgemäßes Kühlsystem besteht wie üblich aus
einer von einem Ventilator belüfteten Wärmeaustauscher (kühler), welcher von einer
Kühlflüssigkeit, (z.B.
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Wasser)die zuerst den Motor und dann den Wärmeaustauscher unter dem
Druck einer Pumpe durchströmt wird, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator
von einem Hydromotor angetrieben wird, welcher in der Verbindungsleitung vom @otor
zum Kühler angeordnet ist.
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Das beißt, es wird von vornherein auf Antriebsmittel wie @lektromotor,
oder einen mechanischen Antrieb vom notor her verzichtet und die Antriebsenergie
des Ventilators wird direkt der strömenden Kühlflüssigkeit entnommen.
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Bei Kühlsystemen, welche einen Kurzschlußkreislauf besitzen, wird
somit dem Hydromotor erst dann Kühlmittel zugeführt, wenn der motor seine untere
Betriebstemperatur erreicht hat, das heißt wenn der Thermostat vom Kurzschlußkreislauf
auf den eigentlichen kühlkreislauf umgeschaltet hat.
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Um die @eistungsaufnahme des Ventilators auch bei hohen Motordrehzahlen
zu begrenzen wird erfindungsgemäß als Hydromotor eine Rotationspumpe vorgeschlagen,
deren elastisch verformbare Leitflächen und/oder Flügel ab einer gewissen Drehzahl
einen Schlupf des durchströmenden Kühlmittels gestatten, wodurch die Kennlinie Drehzahlanstieg
zu Druckanstieg abgeflacht wird.
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Dine andere @ösung die beistungsaufnahme des Ventil@tors zu begrenzen
besteht erfindungsgemdß darin im Kühlsysten ein federvorbelastetes Ventil parallel
zum hy@romotor anzu@r@@en, das a@ einem bestimmten @ruck in der Zuleitung zum Hydromotor
einen @ypaß ganz oder teilweise öffnet, sodaß ein Teil des @üblmittels vor dem Durchströmen
des Hydromotors abg@zweigt wird und dadurch die Leistungsaufnahse des Ventilators
begrenzt.
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In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemüßen
Kühlanlage gezeigt. Der zu Kühlende @otor (1) ist mit dem W@rmeaustauscher (Künler)
(2) über die Zuleitungen (4) @@@.
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den Kückleitungen (5) verlunden. bie Wassorpumpe (3) im motor (1)
wälzt das Kühlmittel in diesem @reislauf um, so@ald der Motor (1) läuft.
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Solange allerdings die Temperatur des Motors (1) unter seinem unteren
Sollwert liegt verschliesst der Thermostat (9) die Zuleitung (4) und das Kühlmittel
gelangt direkt in bekannter Art durch den Kurzschlußkreislauf (8) zurdck zum @otor
(1).
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bei warmem Motor (1) verschliesst der Thermostat (9) den Kurzschlußkreislauf
(8) wie in Pig. 2 dargestellt und das Kullmittel durchströmt die Hydropumpe (6)
welche den Ventilator (7) antreibt.
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Fig. 2 zeigt auch eine schematische Anor@nung eines Hypasses (10),
der dem Kühlmittel bei einem vorgegemenen Druck gestattet die Hydropumpe (6) zu
umgehen, indem ein federvorgesphnntes Ventil (11) nachgibt. Damit kann eine unnötige
@berlastung des Systems vermieden werden, dessen beistungsbedarf etwa mit dem Quadrat
der Drehzahl des Ventilators anwächst.
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Eine andere @öglichkoit einer erfindungsgemäßen Leistungsaufnahmebegrenzung
ist in Fig. 3 als beispiel dargestellt. In diesem Fall sind z.B. die Schaufeln (12)
der Hydropumpe (@) elastisch verformbar und geben bei steigendem Druck nach, sodaß
ein Teil der Strömung frei druchfliesst ohne zusätzlich @@ergie an die hydropumpe
(6) abzugeben.
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Fig. @ ist nur als ein schematisches beispitl @ufzufassen.
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@enausogut könnten Leitflächen oder andere elastische oder @@@ervorgesp@ante
@auteile zum Erreichen des erfindungsgemäßen zweckes @erangezogen werden. auch besteht
die Möglichkeit veiter@ @ekannte Regelmögllchkeiten, wie Stellklappen und @nnliches
zur Ausgestaltung der ERfindung einzusetzen.
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@ine weitere Verbesserung der Erfindung besteht darin den Ventilator
thermostatisch so zu steuern, daß er nur dann lauft bzw. den Künler belüftet, wenn
der normale Fahrtwind nicht ausreicat die Abwärme des motors über den Kühler abzuführen.
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dadurch werden unnötige @@nutzungen der @ager und zusätzliche @aufgeräusche
sowie vergeudeter Energievorbrauch vermieden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß parallel zum Bydromotor ein
Bypass vorhanden ist, in welchem ein Thermostatventil z.B. ein Wachs-@lappenventil
angeordnet ist, welches bei niedrigen Temperaturen offen ist und im bereich der
Soll-Arpeitstemperatur des Motors bzw. des Kühlmittels schliesst.
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Bei einer derartigen Anordnung wird zunächst nur ein Teil des Kühlmittels
durch den Hydromotor fliessen, ein mehr oder weniger großer Teil wird jedoch je
nach Dimensionierung der Querschnitte durch den Bypass strömen. Der Iiydromotor
wird daher entweder garnicht oder nur langsam laufen, Steigt die Temperatur des
Motors und damit des Kühlers in den bereich der betriebstemperaturen, schliesst
der Thermostat den Bypass und die Strömung durch den Hydromotor wächst. Die @@ndelsüblichen
Wachs-Klappenventile eignen sich z.B. sehr gut für diese Funktion, da sie in einem
relativ kleinen Temperatorbereich die Schaltfunktion sehr gonau voilziehen.
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Erfindungsgemäß kann auch die analoge Umkehrung angewendet werden,
das heißt, daß parallel zum Hydromotor ein Bypase vor-@anden ist, uiid im Zu- oder
Ablauf des Hydromotors ein Thermostatventil z.B. ein Wachs-Klappenventil angeordnet
ist, welches bei @iedrigen Temperaturen geschlossen ist und im Bereich der Soll-@rbeitstemporatur
des Motors bzw. des Kühlmittels
öffnet. Mit dieser Anordnung können
grundsätzlich die gleichen vorner beschriebenen @unktionen erreicht werden, aber
die Dimensionierung der @eitungen ist unterschiedlich unu gestattet unter Umständen
eine bessere Anpassung an vorhandene Lösungen.
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Eine Optimierung besteht in der erfindungsgemäßen Kombination beider
Thermostatfunktionen, die sich überdies zu einem einzigen Thermostat-Umschaltsystem
bekallnter Bauart zusammenfassen lassen.
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Ein derartiges System besteht erfindungsgemäß uarin, daß sowohl ein
Thermostatventil im Bypass und irn Zu- oder Ablauf des Hydromotors, bzw. ein Thermostat-Umschaltventil
vorhanden ist, welches bei niedrigen Temperaturen das Kühlmittel zumindest vorwiegend
durch den Bypass und im bereich der Soll-Arbeitstemperatur des rotors bzw. des Kühlmittels
zumindest vorwiegend durch den hydromotor leitet.
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Diese ausführung ist zwar unwesentlich teuerer, bringt aber eine vollkommen
klare und zwangsweise gekoppelte Umschaltung vom Bypass auf den Hydromotor.
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Mit diesen erfindungsgemäßen Anordnungen ergeben sich bessere Regeleigenschaften
als z.B. mit den teueren und störanfälligen Lösungen mit elektrisch-angetriebenen
Lüftern, da der Anlauf des Ventilators, das heißt des Hydromotors allmählich erfolgt
und je nach öffnen des Wachs-Klappenventils eine stufenlos geregelte Drehzahl, welche
genau dem erforderlichen Wärmeaustausch entspricht, sich einstellt.
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D*ei diesem neuartigen Kühl system ein enger Zusammenhang zwischen
Motordrehzahl, Fahrtwind und Ventilatordrehahl besteht wird erfindungsgemäß vorgeschlagen
als Hydromotor eine Ausführung zu wählen, welche auch als Pumpe arbeitet,falls der
llydromotor angetrieben wird. Es kann bei Spitzengeschwindigkeiten eines Fahrzeuges
durchaus vorkommen, daß der Fahrtwind
aen Ventilator antreibt und
dieser den Hydromotor zumindest entlastet, wenn nicht sogar echt antreibt.
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In diesem Fall hilft bei einer erfindungsgemäßen Ausführung der Hydromotor
(als Pumpe)das Kühlmittel umzuwälzen und somit die eigentliche Kühlmittelpumpe auch
energiemäßig zu entlasten.
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Eine derartige Anordnung ist so ausgeführt, daß der Hydromotor als
jotor/Pumpe derart ausgeführt ist, daß bei hohen Luftströmungsgeschwindigkeiten,
denenzufolge der Fahrtwind den Ventilator antreibt, der Hydromotor als Pumpe arbeitet
und das Kühlmittel mit umwälzt und dadurch die Kühlmittelpumpe zumindest teilweise
entlastet.
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Falls diese Rückführung von Energie aus irgendwelchen hydraulischen
oder konstruktiven Gründen unerwünscht ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen den
Ventilator mit dem Hydromtor mittels einer Überhohl-Freilaufkupplung zu koppeln.
Eine derartige Kupplung gestattet eine größereJfrei, das heißt unDehindert schneller,ablaufende
Drehgeschwindigkeit des Ventilators als die des Hydromotors.
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Um selbst extreme Regelwünsche erfüllen zu können, wird schliesslich
vorgeschlagen, daß der Wärmeaustauscher in zwei Teile (Kreisläufe) aufgeteilt ist,
von denen einer in Reihe mit dem Hydromotor und einer in Reihe mit dem Bypass liegt.
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Ein derartig abgestuftes Kühlsystem kann den Einsatz des Ventilators
auf ein Minimum reduzieren, indem die Teilkühlleistungen so gestuft werden, daß
der durcil den Ventilator fremd belüftete Wärineaustauscher nur bei hohen Spitzen
an Abwärme z.U. bei Bergfahrten oder auch bei langsamen Fahren in Kolonnen, über
den Thermostat eingeschaltet wird.
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Zusammenfassend gilt für alle vorstehend beschriebenen Steuerungen,
daß sie stufenlos, in engen Temperaturbereichen und in echter Regelabhängigkeit
von der abzuführenden Wärme arbeiten. Das Ivühlsystem ist in seiner konstruktiven
Ausbildung seiiier Bauelemente besonders freizügig zu gestalten, sei es in der Wahl
eines passenden Hydromotors, sei es die Anpassung an vorhandene Wärmeaustauscher,
oder die Auswahl eines Thermostatmodelles. Als Hydromotor kann z.b. ebensogut eine
Zahnradpumpe,
eine Tur@ine oder eine Kreiselpumpe in Funktionsumkehr
verwendet werden.
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Die beschriebenen thermostatischen Regelanordnungen sind in Fig. 4
bis Fiq. 7 dargestellt.
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Fig. 4 zeigt z.B. die Anordnung eines Wachs-Klappenthermostats (13)
im Bypass (10), welcher bei nieariger Temperatur die Ventilklappe in der gezeichneten
Lage (14) hält, jedoc@ mit steigender Temperatur im Soll-Arbeitstemperaturbereich
allmählich in die @age (15) kommt.
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Fig. 5 zeigt eine analoge Anordnung mit dem Wachs-Klappenthermostat
(13) in der Zuleitung (4) zur. Hydromotor (@).
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In Fig. 6 ist der Wachs-Klappenthermostat (13) nicht dargestellt,
soiidern lediglich die Lage (14) aer Umschaltklappe bei niedriger und die Lage (15)
bei hoher Temperatur.
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Das Beispiel einer besonders vorteilhaften Au@führung der @rfintiung
ist iri Fig. 7 dargestellt. Der Wärmeaustauscher (Kühler) besteht aus den beiden
Teilen (2) und (16) wobei der Kühler (2) direkt mit dem iiotor (1) und seiner Kühlmittelpumpe
(3) verbunden ist, hingegen der Kühler (16) erst bei hohen Kühlmitteltemperaturen
über die Thermostatklappe in den Kühlkreislauf eingeschaltet wira, wodurch auch
der Hydromotor (6) anläuft.
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Auch dieses Kühlsystem mit zwei Kühlkreisläufen in dem Doppelwärmeaustauschern,
kann selbstverständlich mit einer Kurzschlußkreis in bekannter Art kombiniert werden.