DE4341207A1 - Brennkraftmaschine mit einem von einer Turbine angetriebenen Kühler-Lüfter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kühler-Lüfter, der von einer in der Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordneten Turbine angetrieben und luftseitig stromab des Kühlers in einem vom Kühler zum Lüfter verlaufenden Kanal angeordnet ist.

Neben üblichen mechanischen oder elektromotorischen An­ triebsvorrichtungen für Kühler-Lüfter ist ein Antrieb mittels einer Abgasturbine nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 aus der DE-OS 19 10 254 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Stand der Technik ist der Kühler-Lüfter als Lüfterwalze ausgebildet und wirkt als sog. Tangen­ tial-Gebläse. Da diese bekannte Lösung jedoch unbefriedi­ gend ist, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten von einer Abgasturbine angetriebenen Kühler-Lüfter aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Kühler- Lüfter als Axialgebläse oder Halbaxialgebläse oder Radialgebläse ausgebildet ist. Strömungsdynamisch beson­ ders vorteilhaft ist dabei die Ausbildung als Halbaxial­ gebläse oder Radialgebläse. Vorteilhafte Aus- und Weiter­ bildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Kühler-Lüfter, der abluftseitig des Kühlers angeordnet ist und von einer Abgasturbine an­ getrieben wird, im Gegensatz zu Abgasturboladern, die rein prinzipiell ein vergleichbares Bauteil darstellen, für einen hohen Massenstrom zu konzipieren. Unter Wir­ kungsgradaspekten ist dabei ein Halbaxialgebläse oder auch ein Radialgebläse, aber auch ein Axialgebläse deut­ lich vorteilhafter als das vom Stand der Technik bekannte walzenartige Tangentialgebläse. Ob im Einzelfall nun ein (Halb)-Axialgebläse oder ein Radialgebläse gewählt wird, ist unter Berücksichtigung weiterer Randbedingungen indi­ viduell festlegbar. Bei dieser Auswahl kann die mögliche weitere Nutzung der Abluftexergie am Gebläseaustritt des Kühler-Lüfters von entscheidender Bedeutung sein. Bei­ spielsweise kann die Abluftexergie am Gebläseaustritt zur Kühlung von weiteren Bauteilen verwendet werden oder auch die Vortriebsleistung eines Fahrzeuges steigern, das mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ausgestattet ist.

Den jeweiligen Anforderungen entsprechend gestaltet wer­ den kann auch ein sog. Kühlerabluftsammler, der stromab des Kühlers vorgesehen ist und an den sich der zum Küh­ ler-Lüfter führende Kanal, in dem im übrigen ein Drossel­ element und/oder ein Bypass zum Kühler-Lüfter vorgesehen sein kann, anschließt. So kann sich der Kühlerabluftsamm­ ler lediglich über einen Teilbereich der Kühleroberfläche erstrecken, wie auch aus dem im folgenden erläuterten Prinzipskizzen zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung hervorgeht.

In den Fig. 1, 2 gezeigt ist jeweils ein Prinzipschnitt durch den Vorderbau eines Kraftfahrzeuges, in dem eine Brennkraftmaschine 12 eingebaut ist. Es handelt sich um eine wassergekühlte Brennkraftmaschine 12, wobei die Kühlflüssigkeit wie üblich in einem Kühler 1 rückgekühlt wird. Diesem Kühler 1, dem ein Kondensator 2 einer Fahr­ zeug-Klimaanlage vorgeschaltet sein kann, wird ein am Frontende des Fahrzeuges eintretender Luftstrom 3 über einen Zuströmdiffusor 4 zugeführt. Stromab des Kühlers 1 ist ein Abluftsammler 5 vorgesehen, der in einen flexiblen Kanal 6 mündet. Dieser Kanal 6 führt zu einem Kühler-Lüfter 7, der als Radialgebläse - alternativ als Halbaxialgebläse oder Axialgebläse - ausgebildet ist und von einer Turbine 8 angetrieben wird. Hierzu sitzt das Gebläserad des Kühler-Lüfters 7 mit dem Turbinenrad der Turbine 8 auf einer gemeinsamen Welle 9; die Einheit aus Kühler-Lüfter 7 und Turbine 8 bildet somit mit der Welle 9 eine Baueinheit, wie sie an sich von Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen her bekannt ist. Jedoch unter­ scheidet sich die erfindungsgemäße Einheit von Kühler- Lüfter 7 und Turbine 8 von Abgasturboladern durch die Auslegung des Gebläserades des Kühler-Lüfters 7, da es nämlich, wie bereits erwähnt, als (Halb)-Axialgebläse oder Radialgebläse ausgebildet ist, um anders als im Anwendungsfall eines Abgasturboladers einen hohen Massen­ strom durch den Kühler 1 fördern zu können.

Identisch einem Abgasturbolader ausgelegt ist jedoch die Turbine 8. Analog einem Abgasturbolader wird über diese Turbine 8 das Abgas der nicht gezeigten Brennkraftma­ schine geführt. Hierzu ist die Turbine 8 über eine Zulei­ tung 10a sowie eine Ableitung 10b in die Abgasanlage der Brennkraftmaschine eingebunden (nicht gezeigt).

In einer ersten Ausführungsform erstreckt sich der Ab­ luftsammler 5 über die gesamte Oberfläche des Kühlers 1. In einer alternativen Ausführungsform kann sich der Ab­ luftsammler 5′ jedoch lediglich über einen Teilbereich der Kühleroberfläche erstrecken. Über den freibleibenden, nicht vom Abluftsammler 5′ überdeckten Kühlerabschnitt kann dabei insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsfahrt des Fahrzeuges ein relativ großer Kühlluftstrom gelangen, der nicht in aufwendiger Weise durch das sog. Abgas-Turboge­ bläse, d. h. durch die Baueinheit von Kühler-Lüfter 7 und Turbine 8 gefördert werden muß. Steht jedoch vor dem Fahrzeug kein ausreichender Staudruck zur Verfügung, so ist die Förderung des Kühlluftstromes mittels dieses Ab­ gas-Turbogebläses äußerst vorteilhaft. Dies u. a. des­ halb, da kein separater mechanischer oder elektromotori­ scher Antrieb für den Kühler-Lüfter erforderlich ist. Dies aber auch deshalb, weil die Förderleistung zur För­ derung des Kühlluftmassenstromes durch den Kühler-Lüfter 7 für alle Lastbereiche der Brennkraftmaschine durch Aus­ nutzung der Abgasexergie dieser Brennkraftmaschine in ausreichendem Maße quasi kostenlos zur Verfügung gestellt wird. Durch den damit möglichen Entfall von mechanisch oder elektromotorisch angetriebenen Lüftern wird die Pri­ märenergie für deren Antrieb eingespart. Auch führt der Entfall von nahe des Kühlers 1 angeordneten Lüftern und zugehörigen Zargen zu einer Verringerung des Luftwider­ standes, was ebenfalls zu einer Treibstoffeinsparung führt. Darüber hinaus erlaubt ein erfindungsgemäßes Kühl­ system die Verwendung eines aerodynamisch optimierten Zu­ strömdiffusors 4 sowie eines ebenfalls optimal gestalte­ ten Abluftsammlers 5 sowie Kanales 6.

Im einzelnen können die Begrenzungswände des Zuströmdif­ fusors 4 im oberen und unteren Teil des Fahrzeugbugs ae­ rodynamisch geglättet werden. Ferner bietet eine trompe­ tenförmige Erweiterung die Möglichkeit, Strömungsverluste in diesem Bereich weiter zu verringern. Diese beiden Maß­ nahmen zeigen bei konventionellen Kühlsystemen mit bei­ spielsweise mechanisch angetriebenen, nahe des Kühlers 1 angeordneten Kühler-Lüftern keine Wirkung, da der Einbau von Lüftern und Zargen im Kühllufttrakt so große Störun­ gen an den Diffusorwänden hervorruft, daß die Strömung sich ablöst, was eine extreme Widerstandszunahme zur Folge hat. Auch stromab des Kühlers 1 schafft die Mög­ lichkeit der Verwendung des Abluftsammlers 5 ideale Vor­ aussetzungen, den Durchströmungswiderstand zu reduzieren. Da dieser Abluftsammler 5 bevorzugt die Gestalt einer Düse hat, wird die Strömungsgrenzschicht in dessen Aus­ trittsquerschnitt sehr dünn und läßt somit die Wahr­ scheinlichkeit einer Strömungsablösung sehr gering wer­ den.

Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung kann zusätz­ lich die Abluftexergie am Gebläseaustritt, d. h. am Aus­ tritt aus dem Kühler-Lüfter 7 genutzt werden, und zwar zum einen zur Kühlung von Bauteilen, so beispielsweise von Getriebe, Lagern, Bremsen, Katalysator etc. und zum anderen zur Vortriebssteigerung des Fahrzeuges, in dem diese Brennkraftmaschine mit dem beschriebenen Kühlsystem eingebaut ist. Die Abluft des Kühler-Lüfters 7 wird dabei mittels eines Stutzens 11 gezielt geführt, wobei die Aus­ trittsöffnung dieses Stutzens 11 prinzipiell mittels einer Rohrleitung an jeden beliebigen Ort des Fahrzeuges plaziert werden kann. Auf diese Weise kann der Abluft­ strom entweder zielgerichtet zur Kühlung von wärmetech­ nisch hochbelasteten Bauteilen oder bei einer Ausformung des Stutzens als Düse zur Vortriebssteigerung des Fahr­ zeuges gebraucht werden.

Ferner führt die Verwendung des Abluftsammlers 5 grund­ sätzlich zu einer Absenkung des Temperaturniveaus im Mo­ torraum 12 des gezeigten Fahrzeuges, da die heiße Küh­ lerabluft nicht - wie sonst üblich - den Motorraum 12 durchströmt. Trotzdem können, insbesondere bei Verwendung einer Motorraumvollkapsel durch Wärmestrahlung der nicht gezeigten Brennkraftmaschine oder deren Abgaskrümmer ört­ lich einige Bauteile überhitzt werden. Als Abhilfemaß­ nahme kann der Abluftsammler 5 wie gezeigt mit Schlitzen 13 versehen werden. Hierdurch kann der Motorraum gezielt kalt belüftet und warm entlüftet werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühler-Lüfter- Systemes besteht darin, daß die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine durch Expansion des Abgases in der Turbine 8 des Abgasturbogebläses reduziert wird. Dies ist von besonderer Bedeutung bei einer u. a. unter Akustik­ aspekten vorteilhaften Vollkapselung des Motorraumes, da die Wärmestrahlung des Abgaskrümmers deutlich reduziert wird, was ferner auch von Bedeutung für die Reduzierung der Schadstoffemission ist. Aufgrund einer funktionsbe­ dingten Kühlung des Abgases in der Turbine 8 kann somit ohne Rücksichtnahme auf die Abgastemperatur im gesamten Betriebsbereich ein hinsichtlich Abgasemissionen optima­ les Gemisch der Brennkraftmaschine eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung mit einem vom Zuströmdiffu­ sor 4 abzweigenden Kaltluftkanal 14, in dem ein zu küh­ lendes Aggregat, beispielsweise der Generator 15, zu Kühl­ zwecken angeordnet ist. Dieser Kaltluftkanal 14 mündet stromauf des Kühler-Lüfters 7 im (flexiblen) Kanal 6. Im Rahmen weiterer Abwandlungen können im Kanal 6 geeignet ansteuerbare Drosselelemente vorgesehen sein, ebenso kann ein schaltbarer Bypass zum Kühler-Lüfter 7 vorgesehen sein, um den Kühlluftstrom wie gewünscht zu dosieren.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen, im wesentlichen aus dem Kühler-Lüfter 7, der als (Halb)-Axialgebläse oder Radialgebläse ausgebildet ist, sowie der Turbine 8 beste­ henden Abgasturbogebläses für die Förderung des Kühlluft­ stromes einer Brennkraftmaschine liegt in der Reduktion des Auspuffschalles durch die dämpfende Wirkung der Ab­ gas-Turbine 8. Dabei können durchaus eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art abweichend vom ge­ zeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den In­ halt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (3)

1. Brennkraftmaschine mit einem Kühler-Lüfter (7), der von einer in der Abgasleitung (10a, 10b) der Brenn­ kraftmaschine angeordneten Turbine (8) angetrieben und stromab des Kühlers (1) in einer vom Kühler (1) zum Lüfter (7) verlaufenden Kanal (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler-Lüfter (7) als Axialgebläse oder Halbaxialgebläse oder Radial­ gebläse ausgebildet ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) von einem Kühler-Abluftsammler (5, 5′) abzweigt, der sich le­ diglich über einen Teilbereich der Kühleroberfläche erstreckt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluftexergie am Ge­ bläseaustritt des Kühler-Lüfters (7) zur Kühlung von Bauteilen und/oder zur Vortriebssteigerung eines Fahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche verwendet wird.