DE1214936B

DE1214936B - Kuehleinrichtung fuer Fahrzeugbrennkraft-maschinen

Info

Publication number: DE1214936B
Application number: DEL26393A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Laing
Original assignee: Firth Cleveland Ltd
Current assignee: Firth Cleveland Ltd
Priority date: 1956-12-07
Filing date: 1956-12-07
Publication date: 1966-04-21
Also published as: US3236215A

Description

Kühleinrichtung für Fahrzeugbrennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Fahrzeugbrennkraftmaschinen mit einem Wärmetauscher, einem Gebläse zur Förderung von Kühlluft über diesen Wärmetauscher, welches von der Brennkraftmaschine mit konstanter Übersetzung angetrieben wird, und mit einer Vorrichtung zur selbsttätigen Temperaturkonstanthaltung der Brennkraftmaschine durch temperaturabhängige Steuerung des Kühlluftdurchsatzes durch ein im Kühlluftstrom angeordnetes, in Abhängigkeit von der Temperatur im Wärmetauscher verstellbares Drosselorgan.
Der Wärmetausch flüssigkeitsgekühlterBrennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen wird üblicherweise mit großflächigen Kühlern bewirkt. Der zur Überwindung des Reibungswiderstandes im Wärmetauscher erforderliche Druck wird gewöhnlich bei Kraftfahrzeugen zu einem Teil durch den Staudruck und zu einem weiteren Teil durch ein Axialgebläse aufgebracht. Dadurch erhöht sich der Widerstandsbeiwert des Gesamtfahrzeuges. Das Gebläse ist üblicherweise hinter dem Kühler angeordnet. Diese bekannte Kühleir ichtung hat folgende Nachteile: 1. Der Kühler muß, bedingt durch die geringe Druckziffer des Axialgebläses, großflächig ausgeführt sein und ist deshalb teuer, schwer und behindert die Karosseriegestaltung.
2. Der Druckverlust durch den Widerstand des Kühlers muß im Bereich kleiner Maschinendrehzahlen fast vollständig vom Fahrwind aufgebracht werden. Bei großen Drehzahlen muß dagegen der größere Teil der hydraulischen Leistung von dem Gebläse aufgebracht werden, das im normalen Fahrbetrieb überflüssig wäre. Bei Bergfahrt und Anhängerbetrieb nimmt das Axialgebläse rund ein Zehntel der Motorleistung auf.
3. Die günstigste Kühlleistungsregelung ist die Regelung durch Beeinflussung der Luftmenge. Eine solche Regelung hat aber bei bekannten Anordnungen den Nachteil, daß sie aufwendige Jalousien bedingt und außerdem zu schlechten Wirkungsgraden im Teillastgebiet führt, denn der Widerstandsbeiwert des Fahrzeuges, der durch den Kühlerdurchbruch um rund 10 Klo verschlechtert ist, verringert sich kaum mit zunehmender Drosselung, während die Leistungsaufnahme eines Axialgebläses mit zunehmender Drosselung bis auf 120 % der Aufnahme im Vollastgebiet ansteigt.
4. Die kurzzeitige Abschaltung des Gebläses, um die für den Überholvorgang zur Verfügung stehende Leistung zu erhöhen, läßt sich mit vertretbarem Aufwand nicht verwirklichen.
5. Kleine Gebläse besitzen insbesondere in niederen Drehzahlbereichen auf Grund der kleinen Reynolds-Zahlen schlechte Wirkungsgrade. Im Bereich großer Drehzahlen erzeugen große Axialgebläse starke Randwirbelgeräusche.
Um die größere Leistungsaufnahme von Axialgebläsen bei Drosselung des Luftdurchsatzes durch das Gebläse herabzusetzen, wurden schon Einrichtungen zur Regelung der Kühlwasserwärme von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, die die an den Kühlflächen des Kühlers vorbeistreichende Kühlluftmenge durch Verstellen des Schaufelwinkels der Gebläseflügel des Axialgebläseläufers regeln. Dadurch ist es zwar möglich, unter Ausschaltung des Fahrwinddruckes die Kühlluftmenge zu variieren, der erforderliche Verstellmechanismus für die Verstellung der Schaufelwinkel der Gebläseflügel ist jedoch sehr kompliziert und störanfällig und konnte sich deshalb im Kraftfahrzeugbau nicht durchsetzen, obgleich die automatische Regelung der Brennkraftmaschinenkühlung durch Anpassung der Gebläseleistung an den jeweiligen Kühlluftbedarf ein technisches Problem von größter Bedeutung darstellt.
Bei einer weiteren bekannten Anordnung, bei der dem Gebläse ein Drosselorgan vorgeschaltet ist, das in Abhängigkeit von der Temperatur im Wärmetauscher verstellt wird, ist ein Axialgebläse vorgesehen, dem ein Schaufelkranz mit verstellbaren Schaufeln vorgeschaltet ist, um Strömungsverluste durch Verwirbelung am Eintritt des axialen Läufers zu vermeiden. Abgesehen davon, daß auch .diese Einrichtung einen komplizierten Verstelhnechanismus erfordert, kann mit ihr nicht verhindert werden, daß das Axialgebläse bei zunehmender Drosselung eine zunehmende Wellenleistung aufnimmt.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, eine Gebläse-Wärmetausehereinheit für Fahrzeugbrennkraftmaschinen zu schaffen, bei der der Leistungsbedarf des Gebläses im Vollast- und vor allem auch im Teillastgebiet bei gleichzeitiger Herabsetzung der Geräuschbildung gegenüber bisher bekannten Anordnungen gesenkt wird, wobei die Regelung durch eine einfache Verstellung eines Drosselorgans erfolgen soll.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem gemäß der Erfindung als Gebläse ein an sich bekanntes Querstromgebläse verwendet wird, welches Luft unter Ausschaltung des Fahrwinddruckes ansaugt, und dessen Leitkörper in Abhängigkeit von der Temperatur im Wärmetauscher verstellt wird. Die Erfindung schafft damit eine Gebläse-Wärmetauscheranordnung, bei der Getriebehilfsmittel, wie Drehmomentenwandler oder Schaltgetriebe oder auch elektrische Regelantriebe sowie verstellbare Schaufeln, entfallen können, .das Gebläse mit starren Schaufeln ausgebildet sein kann und zugleich ein Antrieb mit fester übersetzung Verwendung finden kann. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß sich die Anströmwinkel der Schaufeln bei Querstromgebläsen, bei denen im Inneren des Läufers der Durchsatzströmung ein Potentialwirbel überlagert wird, ohne Änderung des Schaufelwinkels der umlaufenden Beschaufelung dadurch verändern lassen, daß die Durchsatzströmung durch Leitkörper, die die Wirbelströmung beeinflussen, gedrosselt wird. Während normalerweise bei einer Drosselung die Strömung eine Beschleunigung innerhalb der Engstelle erfährt und danach in starke energieverzehrende Verwirbelung übergeht, bewirkt eine Drosselung eines Querstromgebläses keine wesentliche Druckzunahme und damit eine unbedeutende Energieumsetzung durch Verwirbelung, während gleichzeitig die Durchströmung zu einer Änderung des Strömungsbildes im Inneren des Läufers führt. Im Läufer selbst bildet sich ein Wirbel aus, dessen Feld durch die Durchsatzströmung gebildet wird, während der Kernbereich quasi starr rotiert. Dieser Kernbereich wird um so größer, je stärker die Durchsatzströmung im Sinne einer Drosselung durch Leitkörper verändert wird. Bei zunehmender Drosselung versperrt der Wirbelkern einen zunehmend größer werdenden Bereich innerhalb des Läufers. Diese Maßnahme wirkt also wie eine kontinuierliche Anpassung der Schaufelwinkel an die jeweilige Anströmung. Damit wird eine Regelung möglich, ohne daß sich das Drehzahlverhältnis ändern muß oder die Schaufelwinkel des umlaufenden Schaufelgitters beeinflußt werden müssen. Messungen haben ergeben, daß sich durch diese Maßnahme eine Verringerung der Gebläseleistungsaufnahme von 100 % bei vollem Durchsatz auf 7 bei größtmöglicher Drosselung ermöglichen läßt. Das bedeutet, daß im Gegensatz zu allen bekannten Kühleinrichtungen das Gebläse jedem Drehmoment und jeder Außenlufttemperatur optimal angepaßt werden kann, wobei die Stehkräfte, die zur Betätigung der Leitkörper dienen, so klein sind,, daß sie von einem kühlwassertemperatur- oder auch öltemperaturgesteuerten Thermostaten verstellt werden können. Die Leitkörper, mit denen das Strömungsgeschehen im Inneren des Querstromgebläses verändert werden kann, können als Innenleitkörper oder als Außenleitkörper ausgebildet sein. Bei Verwendung von einem oder mehreren Innenleitkörpern im Inneren des Gebläses werden die Profile dieser rnnenleitkörper so gewählt, .daß sie sich bei maximalem Gebläsedurchsatz der Wirbelströmung im Inneren des Schaufelgitters anpassen, so daß die Strömungsverluste, die durch diese Innenleitkörper bedingt sind, möglichst klein sind. Solche Innenleitkörper haben wendepunktfrei gekrümmte Profilquerschnittsmittellinien. Zur Drosselung des Gebläsedurchsatzes werden die Innenleitkörper relativ zum Druck- und Saugkanal des Gebläses so verdreht, daß sich das Wirbelkerngebiet mit zunehmender Drosselung vergrößert. Der Außenleitkörper kann als verstellbare Zunge im Bereich der Wirbelkernströmung ausgebildet sein. Da die wirbelkernnahen Stromröhren den größten Teil des Durchsatzes durch das Gebläse enthalten, wird durch eine Beeinflussung der wirbelkernnahen Strömung mit einem zungenartigen Außenleitkörper ein starker Regeleffekt erzielt. Schließlich können die Außenleitkörper auch als. Drosselklappen im Ansang- oder Druckkanal des Gebläses ausgebildet sein.
Bei der Regelung der Durehsatzmenge durch ein Querstromgebläse vermittels Außenleitköxper ist es besonders wichtig, daß die Außenleitkörper in dem Bereich der Strömung zur Wirkung kommen, der dem Wirbelkern nahe ist. Es werden deshalb vorzugsweise Außenleitkörper verwendet, die mit der in Drehrichtung des Gebläseläufers gesehen zwischen Druck- und Saugseite angeordneten Gebläseleitwand zusammenarbeiten.
An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Gebläse-Kühler-Einheit in Draufsicht; F i g. 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Gebläse-Kühler-Einheit mit Gebläseinnenleitkörpern; F i g. 3 zeigt eine Brennkraftmaschinen-Gebläse-Kühler-Einheit mit einem Ouerstromgebläse, das auf der Königswelle der Maschine angeordnet ist; F i g. 4 zeigt eine weitere Anordnung nach dieser Erfindung im Schnitt; F i g. 5 zeigt eine zweiflutige Anordnung nach dieser Erfindung; F i g. 6 und 7 zeigen schematisch verstellbare Außenleitkörper zur Regelung der Durchsatzmenge in einem Querstromgebläse, und F i g. 8 und 9 zeigen in zwei Schnittansichten einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Gebläseläufer auf der Kurbelwelle angeordnet ist.
In F i g, 1 ist eine Querstromgebläse-Wärmetauscher- oder -Kühler-Einheit dargestellt, bei der das Gebläse 1 in zwei Teile 2 und 3 unterteilt ist. Der Teil 3 des Gebläses wird zur Luftförderung durch den Kühler 4 verwendet, während der Bereich 2 des Gebläses die Klimatisierung, Ölkühlung und Spülung über die Luftleitung 5 übernimmt. Die Drosselung des Querstromgebläses 1 kann durch nicht dargestellte Innen- oder Außenleitkörper erfolgen.
F i g. 2 zeigt eine Querstromgebläse-Kühler-Einheit, bei der die Drosselung des Durchsatzes durch den Gebläseläufer 1 durch Verdrehen fier Innenleitkörper 20 erfolgt.
In F i g. 3 ist eine Vorrichtung nach dieser Erfindung dargestellt; bei der die Welle des Querstromgebläseläufers 1 die Funktion einer Königswelle, gegebenenfalls mit höherer Übersetzung, übernimmt. Hinter dem Läufer 1 sind ein Ölkühler 30 und der Wasserkühler 31 angeordnet. Der Kanal 33 führt im spitzen Winkel seitlich oder nach hinten aus der Karosserie heraus, wobei die Austrittsgeschwindigkeiten so hoch liegen, daß ein Teil der Verlustenergie durch Schub zurückgewonnen werden kann. Mit M ist der schematisch angedeutete Motor bezeichnet.
F i g. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Steuerung im Inneren des Gebläseläufers 1 durch ein Wirbelfeld erfolgt, dessen Lage durch einen Außenleitkörper 41 bestimmt wird. Die Regelung erfolgt durch einen schwenkbar angeordneten Verschluß 42 im Eintrittsbereich des Gebläses, der durch eine kühlmitteltemperaturgesteuerteDruckdose (nicht dargestellt) betätigt wird. Die Strömung tritt in der Nähe des Wirbelkerns 43 mit sehr großer Geschwindigkeit aus. Die Geschwindigkeit nimmt mit zunehmendem Abstand vom Zentrum des Wirbelkerns ab. Die Leitbleche 44 unterteilen den Druckbereich so, daß die einzelnen Sektoren als Diffusoren mit Umsetzungsgraden wirken, die sich umgekehrt proportional zu den mittleren Geschwindigkeiten beim Eintritt in den jeweiligen Sektor verhalten. Der Wärmetauscher 45 ist kreisförmig angeordnet, so daß innerhalb der Kanäle 46 eine weitere Verzögerung der Strömung erfolgt. Das divergierende Austreten der stark verzögerten Strömung läßt sich mit Vorteil dort verwenden, wo die Nutz- oder Verlustenergie zu Raumheizzwecken, z. B. zur Kabinenbeheizung, eingesetzt werden soll.
F i g. 5 zeigt eine zweiflutige Anordnung, bei der ein Trennkörper 50 den Zirkulationsraum innerhalb des Schaufelgitters 1 in zwei gleiche Bereiche teilt. Die Steuerung kann wiederum durch Beeinflussung eines Wirbelfeldes, beispielsweise durch Innenleitkörper 52, erfolgen. Die Kühler 53 und 54 sind so angeordnet, daß die Luft in entgegengesetzter Richtung austritt. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für Boxer-Motoren. Die Innenleitkörper 52 sind verschwenkbar angeordnet.
In den F i g. 6 und 7 sind schematisch Anordnungen von Außenleitkörpern dargestellt, die zur Beeinflussung des Wirbelfeldes und damit zur Regelung des Durchsatzes durch ein Querstromgebläse dienen. In F i g. 6 ist an der zwischen Druckseite P und Saugseite S angeordneten Trennwand ein verschwenkbarer Leitkörper oder eine verschwenkbare Zunge 60 angeordnet. Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 ist sowohl auf der Druckseite P als auch auf der Saugseite S ein verschwenkbarer Leitkörper 70 bzw. 71 vorgesehen.
In den F i g. 8 und 9 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein einseitig offener Trommelläufer 80 direkt auf der Kurbelwelle 81 befestigt ist. Die Zirkulationsstrrömung wird durch Innenleitkörper 82 beeinflußt. Diese Innenleitkörper werden von einer gemeinsamen Radscheibe 83 getragen, die koaxial zur Kurbelwelle 81 schwenkbar angeordnet ist. Durch Verdrehen der Innenleitkörper 82, was mittels eines Fühlers 84 erfolgen kann, kann jede Drosselstellung des Gebläses erreicht werden. Es ist weiter aus den F i g. 8 und 9 ersichtlich, daß der Kühler 85 direkt an dem Block 86 der Brennkraftmaschinen befestigt sein kann. Es sind nur kurze, starre Verbindungsleitungen zwischen diesem Block und dem Wärmetauscher erforderlich.

Claims

Patentansprüche: 1. Kühleinrichtung für Fahrzeugbrennkraftmaschinen mit einem Wärmetauscher, einem. Gebläse zur Förderung von Kühlluft über diesen Wärmetauscher, welches von der Brennkraftmaschine mit konstanter Übersetzung- angetrieben wird, und mit einer Vorrichtung zur selbsttätigen Temperaturkonstanthaltung der Brennkraftmaschine durch temperaturabhängige Steuerung des Kühlluftdurchsatzes durch ein im Kühlluftstrom angeordnetes, in Abhängigkeit von der Temperatur im Wärmetauscher verstellbares Drosselorgan, dadurch gekennzeichnet, daß als Gebläse ein an sich bekanntes Quer-Stromgebläse verwendet wird, welches Luft unter Ausschaltung des Fahrwinddruckes ansaugt, und dessen die Zirkulationsströmung durch den Querstromgebläseläufer beeinflussender Leitkörper in Abhängigkeit von der Temperatur im Wärmetauscher verstellt wird.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Querstromgebläseläufers ein oder mehrere verstellbare Leitkörper angeordnet sind.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Kühlluftdurchsatzes durch Außenleitkörper erfolgt.
4. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher an der Druckseite des Gebläses angeordnet ist und Luftkanäle bildet, die sich zwischen den Kühlflächen erweitern.
5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebläseläufer durch eine senkrecht zu seiner Achse orientierte Scheibe in zwei Abschnitte unterteilt ist, von denen einer dem Kühlluftkreis und der andere dem Kreis für die Klimaluftversorgung der Fahrzeugkabine zugeordnet ist.
6. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitkörper, der den Durchsatz durch das Gebläse regelt, von einem mit dem Gashebel der Brennkraftmaschine betätigbaren Steuerorgan verstellbar ist, das bei seiner Betätigung unabhängig von der Maschinendrehzahl den Leitkörper zwecks .vorübergehender starker Verringerung der vom Gebläse aufgenommenen Leistung auf geringsten Luftdurchsatz einstellt.
7. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Gashebel in Vollgasstellung einen Anschlag besitzt, der nur durch ein Vielfaches seiner Rückstellkraft überwunden werden kann, und daß das Steuerorgan erst nach Überwindung dieser Anschlagskraft betätigbar ist. B.
Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Wärmetauschers vor und ein Teil des Wärmetauschers hinter dem Querstromgebläseläufer angeordnet ist.
9. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gebläseläufer fliegend auf der Antriebswelle der Lichtmaschine gelagert ist.
10. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mehrflutiges Querstromgebläse vorgesehen ist.
11. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher direkt am Block der Brennkraftmaschine angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 68 469, 362 582, 612 406, 807 978, 821879; schweizerische Patentschrift Nr. 220 007; USA.-Patentschriften Nr. 1920 883, 2 351203, 2 734 493; B. Eck, »Ventilatoren«, Springer-Verlag, 1957, S:91.