DE102010009508A1

DE102010009508A1 - Kraftfahrzeug mit gekühltem Vorderachsgetriebe

Info

Publication number: DE102010009508A1
Application number: DE102010009508A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schneider; Ellen Granderath; Andreas Koller
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: CN102168604B; CN102168604A; DE102010009508B4; RU107758U1; ITMI20110260A1; IT1403330B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Kühlsystem (1) für den Verbrennungsmotor (2), wobei das Kühlsystem (1) mindestens einen im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler (3), Leitungen (4, 5) zum Leiten von Kühlwasser und eine Pumpe (8) zum Fördern des Kühlwassers durch die Leitungen (4, 5) und den Kühler (3) aufweist, sowie mit einem Vorderachsgetriebe (12), das mit einer Kühleinrichtung (13) versehen ist.
Bei einem solchen Fahrzeug ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung (13) des Vorderachsgetriebes (12) von Kühlwasser durchströmt und an das Kühlsystem (1) des Verbrennungsmotors (2) angeschlossen ist.
Ein derart ausgebildetes Fahrzeug gewährleistet, unabhängig von der aerodynamischen Anströmverhältnissen des Vorderachsgetriebes, dessen optimale Kühlung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein allradangetriebenes Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Kühlsystem für den Verbrennungsmotor, wobei das Kühlsystem mindestens einen im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler, Leitungen zum Leiten von Kühlwasser und eine Pumpe zum Fördern des Kühlwassers durch die Leitungen und dem Kühler aufweist, sowie mit einem Vorderachsgetriebe, das mit einer Kühleinrichtung versehen ist.
Bei Sportwagen mit Heck- oder Mittelmotor und Allradantrieb wird ein Teil der Motorleistung über ein Vorderachsgetriebe übertragen, das als Vorderachsdifferential ausgebildet ist. Die entstehende Wärme des Öls im Differentialgehäuse wird dabei an die am Unterboden strömende Luft abgegeben, die an Kühlrippen des Differentialgehäuses entlang strömt, die somit die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes darstellen.
Die beschriebene Luftkühlung verursacht bei steigender Leistung folgende Probleme: Die zur Kühlung notwendige Luftmenge steigt. In der Konsequenz sind deshalb immer größere Öffnungen im Unterboden zur Kühlung des Vorderachsdifferentials erforderlich. Hierdurch verschlechtert sich der Strömungswiderstandskoeffizient (Cw-Wert) und es wird der Vorderachsauftrieb nachteilig beeinflusst. Die unter dem Fahrzeug strömende Luft weist nur einen geringen Staudruck auf, wodurch die Wärmeabfuhr an eine physikalische Grenze stößt.
Ein allradangetriebener Sportwagen der eingangs genannten Art ist aus der Praxis bekannt.
Aus der Praxis ist ferner bekannt, Getriebe bei Kraftfahrzeugen mittels Kühlwasser zu kühlen.
In der DE 32 01 443 A1 ist eine Antriebseinheit beschrieben, die eine Brennkraftmaschine und eine Getriebeeinheit umfasst, bei der Wärmetauscher vorgesehen sind. Hierbei wird die Temperatur der Getriebeeinheit durch wenigstens einen Wärmetauscher geregelt. Dabei umfasst die Getriebeeinheit ein Wechselgetriebe und ein Achsgetriebe, wobei die Temperatur des Achsgetriebes durch einen zusätzlichen Wärmetauscher geregelt wird. Sowohl für die Kühlung als auch für die Aufheizung der Getriebeeinheit wird dem Kühlwasserkreislauf, somit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine Kühlwasser entnommen, wobei das Kühlwasser für die Getriebeeinheit vom Kühlmantel der Brennkraftmaschine entnommen wird. Das aus der Getriebeeinheit abgeführte Kühlwasser wird dann in eine Kühlerrücklaufleitung eingespeist. Hierzu ist in der Zuführleitung zur Getriebeeinheit eine Umwälzpumpe vorgesehen.
In der DE 100 23 519 A1 ist ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei dem für die Kühlung eines Getriebes ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der wahlweise im Kühlerzulauf oder Kühlerrücklauf angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass, unabhängig von den aerodynamischen Anströmverhältnissen des Vorderachsgetriebes, dessen optimale Kühlung gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes von Kühlwasser durchströmt und an das Kühlsystem des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
Die Kühlung des Vorderachsgetriebes bei einem beispielsweise allradangetriebenen Kraftfahrzeug kann somit unabhängig von den Luftanströmverhältnissen des Vorderachsgetriebes erfolgen. Die Kühlung des Vorderachsgetriebes mit Kühlwasser, das die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes durchströmt, erfolgt wesentlich effektiver als eine Luftkühlung. Zum Kühlen des Vorderachsgetriebes ist somit zusätzlich zu dem mindestens einen standardgemäß im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Kühler eine separate Kühleinrichtung am Vorderachsgetriebe vorgesehen.
Zu dem mindestens einen im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler ist insbesondere eine Kühlervorlaufleitung und vom Kühler weg eine Kühlerrücklaufleitung geführt. Diese Leitungen stehen in Strömungsverbindung mit Kühlkanälen und dergleichen des Verbrennungsmotors.
Vorzugsweise ist der Kühlerrücklaufleitung ein Thermostat zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Kühlerrücklaufleitung zugeordnet. Insbesondere verbindet eine weitere Leitung die Kühlervorlaufleitung und die Kühlerrücklaufleitung in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors: Das Kühlwasser wird hierbei nicht über den im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler geführt, sondern es steuert das Thermostat die Kühlerrücklaufleitung und die weitere Leitung, so dass das Kühlwasser vom Verbrennungsmotor über eine kurze Länge der Kühlervorlaufleitung und von dort über die weitere Leitung der Kühlerrücklaufleitung zugeführt wird und über eine kurze Länge dieser Leitung wieder zum Verbrennungsmotor gelangt. Das Thermostat steuert hierbei ein Ventil im Übergang von der weiteren Leitung zur Kühlerrücklaufleitung in dessen Offenstellung. Steigt der Kühlbedarf, wird über das Thermostat das Ventil geschlossen, so dass der Durchfluss durch die weitere Leitung gesperrt ist.
Das Kühlsystem ist insbesondere so ausgestaltet, dass vor dem Verbrennungsmotor die Pumpe angeordnet ist, insbesondere die Pumpe strömungsseitig hinter dem Thermostat angeordnet ist. Die Kühlflüssigkeit wird demzufolge mit hohem Druck durch die Kühlkanäle und dergleichen des Verbrennungsmotors geleitet und von dort mit relativ hohem Druck durch die Kühlerzulaufleitung und nach dem Durchströmen des im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühlers mit relativ geringem Druck durch die Kühlerrücklaufleitung zur Pumpe zurückgeführt.
Die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes kann auf unterschiedliche Art und Weise an das Kühlsystem des Verbrennungsmotors angeschlossen sein. Insbesondere sind solche Ausgestaltungen von Vorteil, die einen geringen Zusatzaufwand, insbesondere unter dem Aspekt der Kosten und des Gewichts bedingen. Diese alternativen Gestaltungen sind im Folgenden näher beschrieben:
Nach einer ersten Variante ist vorgesehen, dass ein Zulauf der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe an die Kühlerrücklaufleitung angeschlossen ist und ein Rücklauf der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe an die Kühlervorlaufleitung angeschlossen ist, sowie eine Zusatzpumpe zum Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe der zwischen Kühlerrücklaufleitung und Kühlervorlaufleitung gebildeten Verbindungsleitung zugeordnet ist.
Das Kühlwasser wird an einer Entnahmestelle am Kühlerrücklauf entnommen. Das erwärmte Kühlwasser wird dann dem Kühlervorlauf zugeführt. Da im Kühlervorlauf ein höherer Druck als im Kühlerrücklauf herrscht, wird für diese Variante die Zusatzpumpe gebraucht, mit der die Druckdifferenz überwunden und zusätzlich eine bestimmte Förderleistung eingestellt werden kann. Aufgrund der erhöhten Kühlwassertemperatur kann mehr Wärme in den im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler abgeführt werden, so dass ein positiver Einfluss auf das Motorkühlwassersystem entsteht. Wird das Kühlwasser von der Kühlerrücklaufleitung vor dem Thermostaten abgezweigt, kann die Kühlung völlig unabhängig vom Zustand des Thermostats erfolgen. Zweckmäßig ist der Verbindungsleitung, die der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe zugeordnet ist, ein Ventil zugeordnet, das insbesondere zwischen der Kühleinrichtung und der Kühlervorlaufleitung angeordnet ist. Dieses Ventil lässt sich ansteuern und schließt die Verbindungsleitung, wenn keine Kühlung des Vorderachsgetriebes erforderlich ist bzw. verhindert die Durchströmung der Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes, bei abgeschalteter Pumpe, mit heißem Kühlwasser.
Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise derart gestaltet, dass im Frontbereich des Kraftfahrzeuges zwei Kühler angeordnet sind, die außerhalb der Fahrzeugmitte angeordnet sind, es sich somit um Seitenkühler handelt. In diesem Fall ist die Kühlervorlaufleitung zweckmäßig über ein Y-Stück mit den beiden Kühlern verbunden und entsprechend die Kühlerrücklaufleitung über ein Y-Stück mit der Kühlerrücklaufleitung verbunden. Die Anschlüsse der Verbindungsleitung der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe erfolgen in diesem Fall vorteilhaft an die Y-Stücke der beiden Seitenkühler. Alternativ sind auch Anschlussstücke direkt an der Verbindungsleitung möglich.
Mittels dieser beschriebenen Variante lässt sich somit eine optimale Kühlleistung für das Vorderachsgetriebe erzielen, wobei nur minimale Änderungen an den Motorkühlwasserleitungen erforderlich sind, konkret nur die beiden Y-Stücke bei Verwendung zweier Seitenkühler zu ändern sind. Die Anordnung der Kühleinrichtung und deren Anschluss an das Kühlsystem bewirkt einen positiven Einfluss auf das Motorkühlsystem. Allerdings ist eine relativ leistungsstarke Pumpe zu verwenden, mit der Konsequenz einer relativ hohen elektrischen Energieaufnahme, hohem Gewicht und erhöhten Kosten, da gegen die Druckdifferenz des Motorkühlkreislaufs zwischen Kühlervorlaufleitung und Kühlerrücklaufleitung gefördert werden muss.
Gemäß einer zweiten Variante ist ein Zulauf und ein Rücklauf der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe an die Kühlerrücklaufleitung angeschlossen, sowie eine Zusatzpumpe zum Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe der Abzweigleitung für die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes zugeordnet. Gemäß dieser Variante wird das Kühlwasser somit im Kühlerrücklauf entnommen, wobei das erwärmte Kühlwasser dem Kühlerrücklauf wieder zugeführt wird. Die hierbei Verwendung findende zusätzliche Pumpe wird nur benötigt, um die notwendige Förderleistung einzustellen. Das Kühlwasser wird dem Motorkühlwasserkreis hinter dem Kühler ”kalt” entnommen und es fördert diese zusätzliche Pumpe das Kühlwasser durch die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes und speist das erwärmte Kühlwasser in die Kühlerrücklaufleitung, somit dem kalten Strang des Motorkühlwasserkreislaufs ein. Bei dieser Verschaltung erfolgt eine Kühlung bei geöffnetem Thermostat, somit bei einem Durchfluss von Kühlwasser durch die Kühlerrücklaufleitung von dem im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler zum Verbrennungsmotor. Sinnvoll ist diese Anwendung in Verbindung mit einem Kennfeldthermostat, der in Abhängigkeit der Temperatur des Vorderachsgetriebes geöffnet werden kann. Insofern ist das Vorderachsgetriebe mit einem Temperatursensor auszustatten. Ein zweckmäßig vorgesehenes Ventil, das der vom Kühlerrücklauf abzweigenden Leitung der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe zugeordnet ist, dient zur Sicherstellung, dass kein Wasser durch die Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe fließt, wenn dies nicht gewünscht ist und die Pumpe nicht fördert.
Bei dieser Variante ist grundsätzlich vorgesehen, dass das Thermostat am Verbrennungsmotor den Kühlkreis des Fahrzeugs bereits geöffnet hat. Da es aber Fahrzustände geben kann (z. B. extrem kalte Außentemperatur), bei denen sich das Vorderachsgetriebe bereits stark erwärmt, der Verbrennungsmotor aber rein über den Kurzschlusskreislauf und den Heizkreislauf betrieben wird, das Thermostat also noch geschlossen ist, ist gemäß einer Modifizierung dieser zweiten Variante vorgesehen, dass das Kühlsystem für diesen Betriebszustand selbsttätig eine Kühlfunktion aktiviert. Grundsätzlich wäre es hierzu möglich, einen Bypass um das Thermostat zu schaffen, der bezüglich der Kühlung des Vorderachsgetriebes bedarfgerecht geöffnet werden kann, oder eine direkte Ansteuerung des Thermostaten durch die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes vorzusehen. Beides bedeutet allerdings einen massiven Eingriff in die Regelung des Kühlsystems des Gesamtfahrzeugs.
Um dies zu verhindern, ermöglicht eine weitere Leitung von der Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes zur Vorlaufleitung des Kühlsystems einen Kühlmittelfluss im Fall des geschlossenen Thermostaten. Da in diesem Fall keine Druckdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Kühlers ansteht, kann die Zusatzpumpe genutzt werden, um das Kühlmittel vom Rücklauf des Kühlsystems durch die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes in den Vorlauf des Kühlsystems des Fahrzeuges einzuspeisen. So ist sichergestellt, dass die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes immer mit Kühlwasser aus dem Rücklauf des Kühlsystems versorgt werden kann. Um zu verhindern, dass die Zusatzpumpe das Wasser vom Rücklauf des Kühlsystems durch die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes wieder zum Rücklauf des Kühlsystems zurückfördert, ist ein Ventil, insbesondere ein Scheibenventil in der Rücklaufleitung zwischen der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe und dem Rücklauf des Kühlsystems vorgesehen. Dieses verhindert zudem, dass die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes mit Kühlwasser durchströmt wird, wenn der Thermostat geöffnet und eine Durchströmung nicht gewünscht ist. In der Rücklaufleitung zwischen der Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes und dem Vorlauf des Kühlsystems ist insbesondere ein Rückschlagventil vorzusehen, um einen Kühlmittelfluss in Richtung heiß-kalt aufgrund der anstehenden Druckdifferenz bei geöffnetem Thermostat zu verhindern.
Dieses System ermöglicht in allen Betriebspunkten eine bedarfsgerechte Kühlung der Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes mit Kühlwasser aus dem Rücklauf des Kühlsystems, ohne eine Ansteuerung oder eine Überbrückung des Thermostaten vornehmen zu müssen. Dieses System weist somit einen weiteren Rücklauf der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe auf, der an die Kühlervorlaufleitung angeschlossen ist, ferner sind Mittel zum Öffnen und Schließen des Rücklaufs und des weiteren Rücklaufs vorgesehen.
Bei Verwendung von Seitenkühlern kann bei dieser Variante ein Anschluss der Abzweigleitung an ein Y-Stück zur Verzweigung auf die beiden Seitenkühler erfolgen, der andere erfolgt an das mit dem Y-Stück verbundene Kühlwasserrohr der Kühlerrücklaufleitung.
Bei dieser Variante ist kein Einfluss vom Motorkühlkreis zu verzeichnen und es lässt sich eine optimale Kühlleistung für das Vorderachsgetriebe erzielen. Es ist eine zusätzliche Pumpe erforderlich, die eine relativ geringe Leistung benötigt, sowie ein Ventil. Es sind aber umfangreichere Änderungen an der Kühlerrücklaufleitung erforderlich und es entsteht ein erhöhter Regelungsaufwand, insbesondere bei Verwendung des Kennfeldthermostaten, der zu steuern ist.
Gemäß einer dritten Variante ist vorgesehen, dass ein Zulauf der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe an die Kühlervorlaufleitung angeschlossen ist und ein Rücklauf der Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe an die Kühlerrücklaufleitung angeschlossen ist. Es wird somit das Kühlwasser dem Kühlervorlauf entnommen, wobei das erwärmte Kühlwasser in den Kühlerrücklauf eingespeist wird. Da bei dieser Variante im Kühlervorlauf ein höherer Druck als im Kühlerrücklauf vorliegt, ist zur Förderung des Kühlwassers durch die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz keine Förderpumpe, somit keine zusätzliche Pumpe notwendig. Sind im Frontbereich des Kraftfahrzeuges die beiden Seitenkühler angeordnet, können die Anschlüsse für die beiden Leitungen zur Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe an die Y-Stücke zur Verzweigung auf die beiden Seitenkühler erfolgen. Die Kühlung der Kühleinrichtung erfolgt bei geöffnetem Thermostat. Bei dieser Variante sollte ein Kennfeldthermostat vorgesehen sein, der in Abhängigkeit der Temperatur des Vorderachsgetriebes geöffnet werden kann. Hierbei ist es erforderlich, die Motorkühlwassergrenztemperatur zu beachten.
Bei dieser Variante ist somit die Möglichkeit gegeben, das Getriebeöl des Vorderachsgetriebes mit dem Kühlwasser anzuwärmen, solange die Öltemperatur unter der Kühlwassertemperatur liegt. Hierdurch kann der verbrauchsintensive Bereich der erhöhten Reibung (Viskosität) im Kaltlauf abgekürzt werden. Vorraussetzung für diese Funktion ist die Durchströmung des Kühlsystems. Dies ist gegeben, wenn der Kühlwasserrücklauf, der vom Thermostaten geregelt wird, offen ist. Hierzu wird ein Kennfeldthermostat, dessen Hub elektrisch beeinflusst werden kann, verwendet.
Bei dieser beschriebenen Variante ist es zum Kühlen des Vorderachsgetriebes erforderlich, dass der Kühlkreislauf des Fahrzeugs bereits geöffnet ist, insbesondere ein Thermostat am Motor den Kühlkreislauf des Fahrzeugs bereits geöffnet hat. Da es aber Fahrzustände geben kann (z. B. extrem kalte Außentemperatur), bei denen sich das Vorderachsgetriebe bereits stark erwärmt, der Motor aber rein über den Kurzschlusskreislauf und den Heizkreislauf betrieben wird, das Thermostat also noch geschlossen ist, muss dieses System für diesen Betriebszustand selbsttätig eine Kühlfunktion aktivieren. So ist gemäß einer Modifizierung der dritten Variante vorgesehen, dass in die Kühlwasserleitung zur Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes eine Zusatzpumpe eingebracht wird. Diese Zusatzpumpe fördert dann Kühlwasser vom Vorlauf des Kühlsystems über die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes auf die Rücklaufseite des Kühlsystems. Da der Rücklauf zum Motor vom Thermostat verschlossen ist, strömt das Wasser zum Kühler und von dort wieder zur Vorlaufseite zurück, von wo es wieder angesaugt wird. In diesem Betriebszustand kehrt sich also die Strömungsrichtung durch den Kühler um. Öffnet nun nach und nach das Hauptkühlsystem, arbeitet die Zusatzpumpe entweder unterstützend mit oder wird, bei ausreichend großer Druckdifferenz im Hauptkühlsystem, abgeschaltet. In diesem Zustand funktioniert dann die Kühlung des Vorderachsgetriebes, wie zur grundsätzlichen dritten Variante beschrieben.
Weiterhin lässt sich auch ein Betriebszustand erkennen, bei dem die Vorlauftemperatur des Kühlwassers das Öl im Vorderachsgetriebe unnötig anheizen und dadurch belasten würde. Trotz abgeschalteter Zusatzpumpe lässt diese als Strömungspumpe immer noch eine Restwassermenge frei durchströmen. Für diesen Betriebszustand ist es erforderlich, in die Kühlleitung zu der oder von der Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes noch zusätzlich ein Absperrventil einzubauen, das dieses verhindert. Bei dieser beschriebenen Modifikation der dritten Variante ist demzufolge eine Zusatzpumpe zum Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung für das Vorderachsgetriebe der Abzweigleitung für die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes zugeordnet, wobei die Zusatzpumpe, bei geschlossenem Rücklauf zum Verbrennungsmotor, Kühlwasser zur Rücklaufseite des Kühlers fördert.
Diese dritte Variante zeichnet sich durch minimale Kosten, insbesondere aufgrund des Verzichts auf eine zusätzliche Pumpe, minimales zusätzliches Gewicht und minimale erforderliche Änderungen an den Kühlwasserleitungen aus, die im Wesentlichen entsprechend denjenigen der ersten Variante, aber höher als diejenigen der zweiten Variante sind. Allerdings ist die Kühlleistung geringer, weil sie von der Druckdifferenz zwischen Kühlervorlauf und Kühlerrücklauf abhängt und die Kühlwassertemperatur im Vorlauf deutlich höher liegt.
Gemäß einer bevorzugten Gestaltung ist die Kühleinrichtung des Vorderachsgetriebes im Wesentlichen durch das Gehäuse des Vorderachsgetriebes und eine unten mit dem Gehäuse verbundene Wanne, die Kühlwasseranschlüsse für Zulauf und Rücklauf des Kühlwassers aufweist, gebildet. Insbesondere weist das Gehäuse des Vorderachsgetriebes Kühlrippen auf, die in den zwischen Gehäuse und Boden sowie zwischen Seitenwänden der Wanne gebildeten Wannenraum ragen. Hierdurch ist ein besonders guter Wirkungsgrad des Wärmeübergangs zwischen Kühlwasser und Gehäuse des Vorderachsgetriebes sichergestellt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 die erste Variante des Kühlsystems für ein allradangetriebenes Kraftfahrzeug, veranschaulicht in schematischer Darstellung,
2 eine Darstellung der baulichen Gestaltung des Kühlsystems nach 1 im Frontbereich des Fahrzeugs und des Vorderachsgetriebes, veranschaulicht in einer Unteransicht,
3 und 4 Darstellungen gemäß der 1 und 2 für die zweite Variante,
5 eine geringfügige Modifizierung der zweiten Variante gemäß 3 in einer schematischen Darstellung,
6 und 7 Darstellungen gemäß der 1 und 2 bzw. 3 und 4 für die dritte Variante, und
8 eine geringfügige Modifizierung der dritten Variante gemäß 6 in einer schematischen Darstellung.
Das nachfolgend für die drei grundsätzlichen Varianten beschriebene Kühlsystem bezieht sich auf ein allradangetriebenes Kraftfahrzeug, insbesondere einen Sportwagen mit Heck- oder Mittelmotor und Allradantrieb, bei dem ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors über ein Vorderachsgetriebe übertragen wird. Dieser Sportwagen weist im Frontbereich zwei seitliche Kühler auf, wobei in den Prinzipdarstellungen gemäß der 1, 3 und 5 der Einfachheit halber nur ein Kühler veranschaulicht ist.
Die erste Variante ist in den 1 und 2 veranschaulicht:
Die Prinzipdarstellung des Kühlsystems 1 veranschaulicht den Verbrennungsmotor 2 und den Kühler 3, ferner eine den Verbrennungsmotor 2 mit dem Kühler 3 verbindende Kühlervorlaufleitung 4 und eine den Kühler 3 mit dem Verbrennungsmotor 2 verbindende Kühlerrücklaufleitung 5. In der Kühlervorlaufleitung 4 steht vor dem Kühler 3 ein Kühlwasserdruck p₁ an, der größer ist als der Kühlwasserdruck p₂ in der Kühlerrücklaufleitung 5 kurz hinter dem Kühler 3. Der Durchfluss durch die Kühlerrücklaufleitung 5 lässt sich mittels eines Thermostaten 6 regeln, der auch den Durchfluss durch eine Leitung 7 regelt, die die Kühlervorlaufleitung 4 mit der Kühlerrücklaufleitung 5 verbindet. Insbesondere ist in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 2 die Kühlerrücklaufleitung 5 stromaufwärts des Thermoastaten 6 geschlossen und es wird Kühlwasser durch die Kühlervorlaufleitung 4, die Leitung 7 und den bezüglich des Thermostaten 6 stromabwärtigen Bereich der Kühlerrücklaufleitung 5 zum Verbrennungsmotor 2 gefördert. Ist die volle Kühlerleistung des Kühlers 3 erforderlich, ist die Leitung 7 geschlossen. Abwärts des Thermostaten 6 ist der Kühlerrücklaufleitung 5 eine Pumpe 8 zum Fördern des Kühlwassers im Kühlkreislauf zugeordnet. Diese Pumpe 8 fördert Kühlwasser mit erhöhtem Druck durch Kühlkanäle und dergleichen des Verbrennungsmotors 2 und durch die Kühlervorlaufleitung 4 zum Kühler 3 und zurück zur Kühlerrücklaufleitung 5.
Die Kühlerrücklaufleitung 5 weist im Bereich des Thermostaten 6 eine Bypassleitung 9 auf, der ein Ventil 10 zum Öffnen und Schließen der Leitung 9 zugeordnet ist. An die Leitung 9 ist eine Kühleinrichtung 11 des mit dem Verbrennungsmotor 2 verbundenen Getriebes des Fahrzeugs angeschlossen.
Das allradgetriebene Kraftfahrzeug ist mit einem Vorderachsgetriebe 12 versehen, über das Vorderachsen und über diese Vorderräder des Fahrzeugs angetrieben werden. Dieses Vorderachsgetriebe ist als Vorderachsdifferential ausgebildet. Das Vorderachsgetriebe 12 weist eine Kühleinrichtung 13 auf, die im Wesentlichen durch das Gehäuse 25 des Vorderachsgetriebes 12 und eine unten mit dem Gehäuse 25 verbundene Wanne 24 gebildet ist, die Kühlwasseranschlüsse 23, 26 für Zulauf und Rücklauf des Kühlwassers aufweist.
1 verdeutlicht, dass ein Zulauf 14 der Kühleinrichtung 13 an die Kühlerrücklaufleitung 5 angeschlossen ist und ein Rücklauf 15 der Kühleinrichtung 13 an die Kühlervorlaufleitung 4 angeschlossen ist. Eine Zusatzpumpe 16, die dem Zulauf zugeordnet ist, dient dem Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung 13. Dem Rücklauf 15 ist ein Ventil 17 zugeordnet. Zum Kühlen der Kühleinrichtung 13 des Vorderachsgetriebes 12 wird somit dem Motorkühlwasserkreis hinter dem Kühler 3 Kühlwasser kalt entnommen. Die Pumpe 16 fördert das Kühlwasser gegen die Druckdifferenz über dem Kühler durch die Kühleinrichtung 13 des Vorderachsgetriebes 12 und speist das erwärmte Kühlwasser in die Kühlervorlaufleitung 4 ein. Der hierbei zu verzeichnende Kreislauf des abgezweigten Kühlwassers ist durch Pfeil 18 veranschaulicht.
2 zeigt die bauliche Gestaltung des gemäß dem Kühlprinzip nach 1 konzipierten Fahrzeugs für dessen Frontbereich.
Gezeigt ist das Vorderachsgetriebe 12 mit einem Torquearm 19, wobei das Vorderachsgetriebe 12 kraftschlüssig mit dem Abtrieb des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist. Das Fahrzeug weist zwei im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnete, nicht veranschaulichte Kühler auf und es verzweigt sich demzufolge die Kühlervorlaufleitung 4 im Bereich eines Y-Stücks 20 nach vorne hin und auch die Kühlerrücklaufleitung 5 im Bereich eines Y-Stücks 21 nach vorne hin, so dass der jeweilige Kühler an den Zulauf und den Ablauf angeschlossen ist. Das Y-Stück 21 des Rücklaufs ist mit einem zusätzlichen Anschluss 22 versehen, mit dem der Zulauf 14 verbunden ist, dem die Zusatzpumpe 16 zugeordnet ist und der mit einem Kühlwasseranschluss 23 einer Wanne 24 verbunden ist, die mit dem Gehäuse 25 des Vorderachsgetriebes 12 verbunden ist. Dieses Gehäuse 25 weist Kühlrippen auf, die in den zwischen Gehäuse 25 und Boden sowie zwischen Seitenwänden der Wanne 24 gebildeten Wannenraum ragen. Diametral zum Kühlwasseranschluss 23 weist die Wanne 24 einen Kühlwasseranschluss 26 auf, mit dem der Rücklauf 15 verbunden ist. Entsprechend dem Anschluss 22 am Y-Stück 21 weist das Y-Stück 20 einen Anschluss 27 auf, mit dem der Rücklauf 15 verbunden ist.
Die zweite Variante gemäß der 3 und 4 unterscheidet sich von derjenigen nach den 1 und 2 nur durch die Anbindung der Kühleinrichtung 13 an das Kühlsystem. Insofern sind mit der ersten Variante übereinstimmende Teile der Einfachheit halber mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Bei der Variante gemäß der 3 ist der Zulauf 14 gleichfalls mit der Kühlerrücklaufleitung 5 verbunden, weist aber eine in der Leistung schwächere Pumpe 16 auf. Der Rücklauf 15 ist jedoch stromabwärts des Zulaufs 14 wieder mit der Kühlwasserrücklaufleitung 5 verbunden. Die kleine Zusatzpumpe 16 fördert somit das dem Motorkühlwasserkreis hinter dem Kühler 3 kalt entnommene Kühlwasser durch die Kühleinrichtung 13 des Vorderachsgetriebes 12 und speist das erwärmte Kühlwasser wieder in die Kühlerrücklaufleitung 5 stromaufwärts des Thermostaten 6 und der Bypassleitung 9 ein. Aufgrund der Verschaltung erfolgt eine Kühlung bei geöffnetem Thermostat 6. Sinnvoll ist diese Anwendung in Verbindung mit einem Kennfeldthermostaten, der in Abhängigkeit von der Temperatur eines Temperatursensors des Vorderachsgetriebes 12 geöffnet werden kann.
Wie bezüglich dieser zweiten Variante zur 4 zu entnehmen ist, unterscheidet sich die konkrete Ausgestaltung gegenüber derjenigen nach der Variante 1, wie sie in 2 verdeutlicht ist, nur dadurch, dass kein Anschluss 27 am Y-Stück 20 vorgesehen ist, sondern an der Kühlerrücklaufleitung 5 stromabwärts des Y-Stücks 21 der Kühlwasseranschluss 27 anzubringen ist, über den der Rücklauf 15 mit dem Kühlwasseranschluss 26 der Wanne 24 verbunden ist.
5 zeigt die geringfügige Modifizierung der zweiten Variante, wie sie zu den 3 und 4 beschrieben ist. Die Ausführungsform nach der 5 unterscheidet sich von derjenigen nach der 3 dadurch, dass ein weiterer Rücklauf 28 der Kühleinrichtung 13 für das Vorderachsgetriebe 12 an die Kühlervorlaufleitung 4 angeschlossen ist und dieser Rücklauf 28 ein Rückschlagventil 29 aufweist, mit der genannten Durchströmrichtung von der Kühleinrichtung 13 zur Kühlervorlaufleitung 4. Ferner ist ein Scheibenventil 30 im Rücklauf 15 zwischen Kühleinrichtung 13 und Kühlerrücklaufleitung 5 angeordnet. Der weitere Rücklauf 28 ermöglicht den Kühlmittelfluss im Fall des geschlossenen Thermostaten 6. Da in diesem Fall keine Druckdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Kühlers 3 ansteht, kann die Zusatzpumpe 16 genutzt werden, um das Kühlmittel vom Rücklauf des Kühlsystems durch die Kühleinrichtung 13 in den Vorlauf des Kühlsystems einzuspeisen. Das Scheibenventil 30 verhindert, dass die Zusatzpumpe 16 das Wasser vom Rücklauf des Kühlsystems durch die Kühleinrichtung 13 wieder zum Rücklauf des Kühlsystems fördert. Dieses verhindert zudem, dass die Kühleinrichtung 13 mit Kühlwasser durchströmt wird, wenn der Thermostat 6 geöffnet und eine Durchströmung nicht gewünscht ist. Das im Rücklauf 28 angeordnete Rückschlagventil 29 verhindert einen Kühlmittelfluss in Richtung heiß-kalt aufgrund der anstehenden Druckdifferenz bei geöffnetem Thermostat 6.
Die dritte Variante gemäß der Darstellung der 6 und 7 unterscheidet sich von den beiden zuvor beschriebenen Varianten wiederum nur durch die Anbindung der Kühleinrichtung 13 an den Kühlkreislauf. Insofern sind mit den Varianten 1 und 2 übereinstimmende Teile wiederum mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
Wie der Prinzipdarstellung gemäß 6 zu entnehmen ist, wird das Kühlwasser der Kühlwasservorlaufleitung 4 entnommen, somit warmes Kühlwasser entnommen. Dieses Kühlwasser wird durch die Kühleinrichtung 13 des Vorderachsgetriebes 12 geleitet und der Kühlerrücklaufleitung stromaufwärts des Thermostats 6 und der Bypassleitung 9 wieder zugeführt. Aufgrund der Druckdifferenz über dem Kühler 3 ist keine Pumpe notwendig, um das Kühlwasser durch die Kühleinrichtung 13 zu leiten und das erwärmte Kühlwasser in den Kühlerrücklauf einzuspeisen. Wie der konkreten Ausgestaltung gemäß 7 zu entnehmen ist, erfolgt der Zulauf 14 über den Anschluss 22 am Y-Stück 20 zum Anschluss 23 und der Rücklauf 15 über den Anschluss 27 am Y-Stück 20 zum Anschluss 26.
8 zeigt die geringfügige Modifizierung der dritten Variante, wie sie zu den 6 und 7 erläutert worden ist. Bei der Modifizierung gemäß 8 weist der Zulauf 14 zur Kühleinrichtung 13 des Vorderachsgetriebes 12 eine Zusatzpumpe 16 auf und es weist der Rücklauf 15 ein Absperrventil/Scheibenventil 30 auf. Ist der Thermostat 6 geschlossen, aber ein Fahrzustand zu verzeichnen, bei dem sich das Vorderachsgetriebe 12 bereits stark erwärmt hat, der Verbrennungsmotor 2 aber rein über den Kurzschlusskreislauf und den Heizkreislauf betrieben wird, kann mittels dieser modifizierten Variante für diesen Betriebszustand selbsttätig eine Kühlfunktion aktiviert werden. Hierbei fördert die Zusatzpumpe 16 das Kühlwasser von der Kühlervorlaufleitung 4 zur Kühleinrichtung 13 und von dort zur Kühlerrücklaufleitung 5. Da der Rücklauf zum Verbrennungsmotor 2 vom Thermostat 6 verschlossen ist, strömt das Wasser zu dem Kühler 3 und von dort wieder zur Kühlervorlaufleitung 4, wo es wieder angesaugt wird. In diesem Betriebszustand kehrt sich also die Strömungsrichtung durch den Kühler 3 um. Öffnet nun nach und nach das Hauptkühlsystem, arbeitet die Zusatzpumpe 16 entweder unterstützend mit oder wird, bei ausreichend großer Druckdifferenz, im Kühlsystem 1 bei aktivierter Pumpe 8 abgeschaltet. In diesem Zustand funktioniert dann die Kühlung des Vorderachsgetriebes 2 wie zu der grundsätzlichen Variante gemäß der 6 und 7 beschrieben. Es ist ein Betriebszustand denkbar, bei dem die Vorlauftemperatur des Kühlwassers das Öl im Vorderachsgetriebe unnötig anheizt und dadurch belasten würde. Trotz abgeschalteter Zusatzpumpe 16 lässt diese als Strömungspumpe immer noch eine Restwassermenge frei durchströmen. Für diesen Betriebszustand ist in die Kühlleitung zum oder vom Vorderachsgetriebe, in der Ausführung gemäß 8 in den Rücklauf 15, noch zusätzlich das Absperrventil 30 eingebaut, das dieses verhindert.
Bezugszeichenliste

1: Kühlsystem
2: Verbrennungsmotor
3: Kühler
4: Kühlervorlaufleitung
5: Kühlerrücklaufleitung
6: Thermostat
7: Leitung
8: Pumpe
9: Bypassleitung
10: Ventil
11: Getriebe
12: Vorderachsgetriebe
13: Kühleinrichtung
14: Zulauf
15: Rücklauf
16: Zusatzpumpe
17: Ventil
18: Kühlkreislauf
19: Torquearm
20: Y-Stück
21: Y-Stück
22: Anschluss
23: Anschluss
24: Wanne
25: Gehäuse
26: Anschluss
27: Anschluss
28: Rücklauf
29: Rückschlagventil
30: Scheibenventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3201443 A1 [0006]
DE 10023519 A1 [0007]

Claims

Kraftfahrzeug, insbesondere allradangetriebenes Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (2) und einem Kühlsystem (1) für den Verbrennungsmotor (2), wobei das Kühlsystem (1) mindestens einen im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordneten Kühler (3), Leitungen (4, 5) zum Leiten von Kühlwasser und eine Pumpe (8) zum Fördern des Kühlwassers durch die Leitungen (4, 5) und den Kühler (3) aufweist, sowie mit einem Vorderachsgetriebe (12), das mit einer Kühleinrichtung (13) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (13) des Vorderachsgetriebes (12) von Kühlwasser durchströmt und an das Kühlsystem (1) des Verbrennungsmotors (2) angeschlossen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kühler (3) hin eine Kühlervorlaufleitung (4) und vom Kühler (3) weg eine Kühlerrücklaufleitung (5) geführt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlerrücklaufleitung (5) ein Thermostat (6) zum temperaturabhängigen Öffnen und Schließen der Kühlerrücklaufleitung (5) zugeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Durchströmung des Verbrennungsmotors (2) mit Kühlwasser bezogen, vor dem Verbrennungsmotor (2) eine Pumpe (8) angeordnet ist, insbesondere die Pumpe (8) strömungsseitig hinter dem Thermostat (6) angeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (14) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) an die Kühlerrücklaufleitung (5) angeschlossen ist und ein Rücklauf (15) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) an die Kühlervorlaufleitung (4) angeschlossen ist, sowie eine Zusatzpumpe (16) zum Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) der zwischen Kühlerrücklaufleitung (5) und Kühlervorlaufleitung (4) gebildeten Verbindungsleitung (14, 15) zugeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleitung (14, 15) ein Absperrventil (17) zugeordnet ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (14) und ein Rücklauf (15) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) an die Kühlerrücklaufleitung (5) angeschlossen ist, sowie eine Zusatzpumpe (16) zum Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) der Abzweigleitung (14, 15) für die Kühleinrichtung (13) des Vorderachsgetriebes (12) zugeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Rücklauf (28) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) an die Kühlervorlaufleitung (4) angeschlossen ist, sowie Mittel zum Öffnen und Schließen des Rücklaufs (15) und des weiteren Rücklaufs (28) vorgesehen sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (14) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) an die Kühlervorlaufleitung (4) angeschlossen ist und ein Rücklauf (15) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) an die Kühlerrücklaufleitung (5) angeschlossen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzpumpe (16) zum Fördern von Kühlwasser durch die Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12) der Abzweigleitung (14, 15) für die Kühleinrichtung (13) des Vorderachsgetriebes (12) zugeordnet ist, wobei die Zusatzpumpe (16), bei geschlossenem Rücklauf zum Verbrennungsmotor (2), Kühlwasser zur Rücklaufseite des Kühlers fördert.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (14, 15) der Kühleinrichtung (13) für das Vorderachsgetriebe (12), auf die Durchströmung der Kühlerrücklaufleitung (5) bezogen, vor dem Thermostat (6) mit der Kühlerrücklaufleitung (5) verbunden ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Frontbereich des Kraftfahrzeuges mehrere Kühler (3) angeordnet sind und Verteilerstücke (20, 21) zum Aufteilen des Kühlwassers auf die Kühler (3) und Zusammenführen des Kühlwassers von den Kühlern (3) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Verteilerstück (20 bzw. 21), insbesondere jedes Verteilerstück (20, 21) mit einem zusätzlichen Anschluss (22, 27) für die Kühleinrichtung (13) des Vorderachsgetriebes (12) versehen ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (13) des Vorderachsgetriebes (12) im Wesentlichen durch ein Gehäuse (25) des Vorderachsgetriebes (12) und eine unten mit dem Gehäuse (25) verbundene Wanne (24), die Kühlwasseranschlüsse (23, 26) für Zulauf (14) und Rücklauf (15) des Kühlwassers aufweist, gebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (25) des Vorderachsgetriebes (12) Kühlrippen aufweist, die in den zwischen Gehäuse (25) und Boden sowie zwischen Seitenwänden der Wanne (24) gebildeten Wannenraum ragen.