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Dokumentenidentifikation DE102005042396A1 15.03.2007
Titel Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug
Anmelder Behr GmbH & Co. KG, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Irmler, Klaus, Dipl.-Ing., 72119 Ammerbuch, DE;
Maucher, Ulrich, Dr. Ing., 70825 Korntal-Münchingen, DE
DE-Anmeldedatum 06.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005042396
Offenlegungstag 15.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.03.2007
IPC-Hauptklasse F01P 3/20(2006.01)A, F, I, 20061214, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01P 3/12(2006.01)A, L, I, 20061214, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen ersten, insbesondere als Hauptkühler ausgebildeten Wärmetauscher (1) zur Kühlung eines flüssigen Kühlmittels (3) eines Verbrennungsmotors (2) durch einen Luftstrom aus Umbebungsluft, und einen zweiten Kühler (7, 13, 407, 415) zur Kühlung eines dem Verbrennungsmotor zuführbaren Gases, insbesondere Abgas und/oder Ladeluft, wobei der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) durch einen Luftstrom aus Umgebungsluft kühlbar ist, und wobei der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) räumlich getrennt von dem Hauptkühler (1) angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Moderne Kraftfahrzeuge haben aufgrund steigender Motorleistungen und zunehmender Anzahl von Nebenaggregaten bereits eine hohe thermische Gesamtleistung, für die große Kühlleistungen zur Abführung von Wärme mittels Wärmetauschern notwendig sind. Dabei wird der häufig begrenzte Bauraum für einen im Fahrtwind angeordneten Wärmetauscher oder Verbund von Wärmetauschern inzwischen vollständig genutzt. Der mögliche Strom an Umgebungsluft wird allgemein durch zunehmend leistungsfähigere Lüfter, die zumeist auf der Saugseite eines Hauptkühlers angeordnet sind, verbessert. Insgesamt ist die maximale Kühlleistung durch im Fahrtwind beziehungsweise stirnseitig eines Kraftfahrzeugs angeordnete Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherpakete weitgehend ausgereizt.

Diese Situation trifft auf immer strengere Emissionsnormen, die in den nächsten Jahren vor allem in Europa und den USA anstehen. Um diesen Emissionsnormen insbesondere bei Dieselmotoren, grundsätzlich jedoch auch bei Ottomotoren und neuen Motorkonzepten wie etwa HCCI gerecht zu werden, wird vielfach vorgeschlagen, die Emissionen, insbesondere von Stickoxyden, durch zumindest teilweise Abgasrückführung in den Verbrennungstrakt des Motors zu verringern. Diese Abgasrückführung ist nur sinnvoll, wenn das Abgas zuvor gekühlt wird. Hierzu wurden bisher im Wesentlichen flüssigkeitsgekühlte Wärmetauscher vorgeschlagen, wobei die Kühlflüssigkeit zumeist an den Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist. Hierdurch werden mittels der Abgasrückführung große thermische Leistungen in den Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors eingetragen, die im Falle von Nutzkraftfahrzeugen bis zu über 100 kW betragen können.

Zudem besteht bei der Abgasrückführung die grundsätzliche Problematik, dass Leistung und Schadstoffemission des Motors um so besser sind, je kühler die ansaugseitigen Gase sind. Hierbei tritt die Kühlung der rückgeführten Abgase mittels eines Flüssigkeits-Wärmetauschers an prinzipbedingte Grenzen, da zumindest bei Verwendung von Hauptmotorkühlmittel die Temperatur des kühlenden Sekundärmediums im Bereich von 100°C liegt.

Neben der Problematik der Kühlung von rückgeführten Abgasen ergibt sich auch eine zunehmende Problematik der Kühlung von aufgeladener Frischluft. Inzwischen sind mehrstufige Aufladungssysteme entwickelt, wobei grundsätzlich Wirkungsgrad und Leistungsgewicht eines Verbrennungmotors durch hohe Abgasaufladung verbessert werden. Die bei der Abgasaufladung entstehenden hohen Frischgastemperaturen sind jedoch zu kühlen. Bei den bekannten Anordnungen eines Ladeluftkühlers in Baueinheit mit dem im Fahrtwind angeordneten Hauptkühler eines Fahrzeugs liegt bedingt durch die Verwendung des gleichen Luftstroms aus der Umgebungsluft eine Begrenzung der erzielbaren Kühlleistung vor. Diese ist letztlich durch die gegebenenfalls designbedingte Begrenzung der Fahrzeugstirnfläche bzw. der Lufteintritts-Querschnitte limitiert ist.

DE 102 03 003 A1 beschreibt ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem ein Teil der Abgase des Verbrennungsmotors in einen aufgeladenen Frischluftstrom eingeleitet werden, wobei die rückgeführten Abgase zuvor durch einen mit einem Bypass versehenen Flüssigkeits-Wärmetauscher gekühlt werden. Der Flüssigkeits-Wärmetauscher ist dabei an den Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem für einen Verbrennungs- motor hinsichtlich seiner thermischen Gesamtleistungsfähigkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird für ein eingangs genanntes Kühlsystem erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst einen ersten im wesentlichen in der Fahrzeugfront angeordneten Wärmetauscher, der insbesondere als Hauptkühler ausgebildet ist, zur Kühlung eines Kühlmittels, dass insbesondere flüssig und/oder gasförmig ist, eines Verbrennungsmotors durch einen Luftstrom aus Umgebungsluft, sowie bedarfsweise zusätzliche Wärmetauscher zur Kühlung oder Heizung weiterer Medien umfasst sowie einen zweiten Kühler, der durch einen Luftstrom aus Umgebungsluft kühlbar ist. Der zweite Kühler ist räumlich getrennt von dem Hauptkühler angeordnet, wobei der Luftstrom für den zweiten Kühler und der Luftstrom für den Hauptkühler räumlich getrennt von einander aus der Umgebung entnommen werden.

Durch die räumlich getrennte Anordnung des zusätzlichen Kühlers von dem Hauptkühler ist es möglich, weitere Luftströme zur Abführung von Wärme des Verbrennungsmotors zu nutzen, wobei der zweite Kühler vorteilhaft der direkten Kühlung von Gasen, insbesondere von Abgas- und/oder Ladeluft, dient.

In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Kühlsystem ein Luftfördermittel mittels dessen der zweite Kühler mit einem Luftstrom aus Umgebungsluft beströmbar ist, wobei das Luftfördermittel insbesondere ein bezüglich eines Hauptlüfters des ersten Wärmetauschers separates Luftfördermittel ist. Hierdurch wird insbesondere dann, wenn der zweite Kühler in seiner räumlichen Anordnung nur ungünstig durch Fahrtwind beströmbar ist, eine erhebliche Verbesserung der möglichen Tauscherleistung des zweiten Kühlers insbesondere bei geringen Fahrgeschwindigkeiten erzielt.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Luftfördermittel ein Radiallüfter. Radiallüfter sind besonders druckfest und besonders unkritisch hinsichtlich der Winkel der an- und abströmenden Luft. Somit sind Radiallüfter ganz besonders zur Versorgung eines zweiten Kühlers im Sinne der Erfindung geeignet, wenn der zweite Kühler- und/oder der Luftansaugbereich an einer ungünstigen Stelle im Motorraum angeordnet ist, insbesondere wenn eine gewinkelte Luftführung im Bereich des Luftfördermittels erforderlich ist. Zudem ergeben Radiallüfter eine hohe Förderleistung bei begrenztem Bauraum und relativ geringer Geräuschentwicklung.

Alternativ hierzu kann jedoch auch ein Axiallüfter als Luftfördermittel Verwendung finden.

Unabhängig von der Art des Luftfördermittels kann dieses bevorzugt vor dem zweiten Kühler (Druckbetrieb), aber auch nach dem zweiten Kühler (Saugbetrieb) angeordnet sein. Weiterhin kann das Luftfördermittel auch zwischen zwei Kühlern angeordnet sein.

Bevorzugt ist das Luftfördermittel über einen Elektromotor antreibbar. Alternativ und bei geeignetem zur Verfügung stehenden Bauraum kann das Luftfördermittel jedoch auch mechanisch mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt sein, insbesondere über ein Kupplungsmittel. Grundsätzlich kann jede Art der Kraftübertragung auf das Luftfördermittel gegeben sein, beispielsweise auch ein hydrostatischer Antrieb.

Besonders bevorzugt ist das Luftfördermittel über eine Abgasturbine antreibbar ausgebildet. Dabei kann es sich um eine separate, nur dem Antrieb des Luftfördermittels zugeordnete Abgasturbine handeln. In besonders bevorzugter Ausführung ist das Luftfördermittel mit einer Welle eines Abgas-Turboladers zur Luftaufladung antreibbar. Insbesondere kann dabei das Luftfördermittel ein auf einem überstehenden Zapfen der Abgas-Turboladerwelle aufgebrachtes Schaufelrad sein, wobei dem Abgas-Turbolader ein entsprechender weiterer Gehäuseteil hinzugefügt ist. Der Abgas-Turbolader kann dabei modular aufgebaut sein, so dass er auch als Komponente ohne das zusätzliche Luftfördermittel bei entsprechenden Fahrzeugen einsetzbar ist, wobei eine modifizierte Version mit zusätzlichem Luftfördermittel-Modul bei anderen Motoren mit beispielsweise höheren Emissionsgrenzwerten oder höherer Leistung Verwendung finden kann.

Grundsätzlich ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Antrieb des Luftfördermittels selektierbar regelbar, insbesondere an- und abschaltbar, ausgebildet ist. Hierdurch kann der Energieverbrauch entsprechend der Fahrsituation gesenkt werden, wenn keine Antrieb des Luftfördermittels des zweiten Kühlers erforderlich ist.

In weiterhin bevorzugter Ausführung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems ist ein dritter Kühler vorgesehen, welcher von dem dem Verbrennungsmotor zuführbaren Gas durchströmt wird, wobei das Gas in dem dritten Kühler mittels eines flüssigen Mediums, insbesondere eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors, kühlbar ist. Hierdurch wird insgesamt eine zwei- oder mehrstufige Kühlung des gasförmigen Primärmediums realisiert, wobei insbesondere bevorzugt eine erste Kühlstufe durch den flüssigkeitsbetriebenen dritten Kühler und eine zweite Kühlstufe durch den luftumströmten zweiten Kühler gegeben ist. Durch diese Anpassung der Kühlmitteltemperaturen (Flüssigkeit in der Regel im Bereich von 100°C bei der ersten Stufe, Umgebungsluft typisch im Bereich von 20°C bei der zweiten Stufe) ist eine besonders effektive Kühlung des Gases möglich, wobei zudem durch die luftgekühlte Stufe ein erheblicher Teil der thermischen Energie des Gases nicht in das Kühlsystem des Verbrennungsmotors eingetragen wird, sondern unmittelbar an die Umgebung abgegeben wird (direkte Kühlung durch die zweite Stufe).

In einer bevorzugten Ausführung wird der zweite Kühler von einem zu dem Verbrennungsmotor rückgeführten Abgasstrom durchströmt. Je nach Auslegung des Kühlsystems kann der zweite Kühler ein Niederdruck-Abgaskühler sein, bei dem das in dem Kühler geführte Abgas nach einer letzten Stufe eines Abgas-Turboladersystems entnommen wird.

Der zweite Kühler kann jedoch auch von einem zu dem Verbrennungsmotor geführten Strom aus aufgeladener Frischluft durchströmt werden, oder in weiterer alternativer Ausführung von einem Gemisch aus zu dem Verbrennungsmotor geführter aufgeladener Frischluft und Abgas.

Hinsichtlich der bevorzugten Bauart des zweiten Kühlers ist dieser vorteilhaft ein Parallelstromkühler, insbesondere ein Gegenstromkühler. Durch die Parallelstromanordnung wird dem Umstand Rechnung getragen, dass in der Mehrzahl der Fälle der zweite Kühler in begrenztem und gegebenenfalls ungünstig geformten Bauraum unterzubringen ist. Die Gegenstromanordnung ist hinsichtlich der Kühlleistung besonders vorteilhaft. Es kann sich bei der Bauart des zweiten Kühlers insbesondere um einen Tri-Flow-Kühler handeln, bei dem drei Anschlüsse für das kühlende Sekundärmedium vorgesehen sind, was zu einer besonders guten Kombination von Kühlleistung und Temperaturverteilung im Material des Kühlers führt. Allgemein kann der zweite Kühler auch ein zumindest zweipfadiger Kühler sein, wodurch die Kühlleistung bei gegebener Kühlerdimension und ausreichend zur Verfügung stehenden Kühlluftstrom verbessbar ist.

Bei geeigneten Bedingungen insbesondere hinsichtlich des Bauraums kann der zweite Kühler jedoch auch ein Kreuzstromkühler sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems ist ein weiterer luftgekühlter Kühler vorgesehen, wobei der zweite Kühler zur Kühlung von einem der beiden, Abgas- oder frischer Ladeluft, und der weitere Kühler zur Kühlung von dem jeweils anderen der beiden ausgebildet ist. Insbesondere können dabei beide luftgekühlte Kühler räumlich von einem Hauptkühler des Fahrzeugs getrennt sein, es kann aber auch nur einer der beiden luftgekühlten Kühler in räumlich getrennter Anordnung zu dem Hauptkühler vorliegen. In bevorzugter Weiterentwicklung ist dabei ein Strom aus Umgebungsluft durch ein gemeinsames Luftfördermittel sowohl zu dem zweiten als auch zu dem weiteren Kühler förderbar. Dies kann etwa dadurch realisiert sein, dass der zweite Kühler und der weitere Kühler benachbart angeordnet sind. Es kann sich jedoch auch um eine nicht benachbarte Anordnung mit entsprechend verzweigten Luftführungskanälen handeln, wobei das gemeinsame Luftfördermittel die Umgebungsluft im Druckbetrieb durch beide Luftkanäle treibt.

Allgemein bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der dem zweiten Kühler zugeordnete Luftstrom über ein Ventilmittel, insbesondere eine stellbare Klappe, in seiner Größe veränderbar ist. Hierdurch ist die Kühlleistung des zweiten Kühlers auf einfache Weise an die jeweiligen Anforderungen anpassbar, wobei in die stellbare Klappe eine Anpassung auch dann ermöglicht, wenn der Luftstrom fahrtwindbedingt ist.

Bevorzugt kann in einer Führung des zu kühlenden Gases ein veränderbarer Abzweig, insbesondere ein Bypass, vor dem zweiten Kühler vorgesehen sein. Hierdurch wird berücksichtigt, dass insbesondere luftgekühlte Gaskühler bei niedrigen Außentemperaturen vereisen können, wobei gefrorenes Kondenswasser der geführten Gase, insbesondere im Falle von geführten Abgasen, den Durchtritt des Primärmediums durch den Kühler verringern oder verhindern können. Der veränderbare Abzweig kann sowohl ein Bypass sein oder einfach eine Öffnung, mittels derer gestautes Abgas in die Umgebung abblasbar ist. Die Veränderbarkeit des Abzweigs kann dabei in einer Überdruckklappe bestehen oder auch in einer regelbaren Klappe. Vorteilhaft ist die Anordnung so ausgebildet, dass durch Abblasen oder Bypass-Umleitung des Gases der Wärmetauscher erwärmt wird, um das gefrorene Kondenswasser zu schmelzen.

Allgemein ist es in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass die abströmende Kühlluft des zweiten Kühlers zumindest teilweise einem Fahrzeuginnenraum zu Zwecken der Heizung zuführbar ist. Hierzu kann etwa eine Zuführung der von dem zweiten Kühler abströmenden Kühlluft über einen Kanal in einen Eintrittsbereich einer Belüftungs- oder auch Klimaanlage des Fahrzeugs vorgesehen sein. Die Zuführung der erwärmten Abluft kann z.B. über eine Stellklappe regelbar sein. Ein erheblicher Vorteil einer solchen Nutzung der erwärmten Kühlluft liegt in einem besonders schnellen Ansprechen der Fahrzeugheizung bei Kaltstart des Motors. Zudem wird der zweite Kühler häufig in einem seitlichen oder hinteren Bereich des Motorraums angeordnet sein, wodurch sich eine im Vergleich zum Hauptkühler bessere Anschlußmöglichkeit des Abluftstroms an die Belüftungsanlage ergibt.

Zur Sicherstellung einer ausreichend niedrigen Kühllufttemperatur für den zweiten Kühler ist es allgemein vorteilhaft vorgesehen, dass eine Ansaugung von Umgebungsluft zur Kühlung des zweiten Kühlers außerhalb des Motorraums stattfindet. Insbesondere kann eine Ansaugung dabei im Bereich eines Radkastens vorgesehen sein.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden vier bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kühlsystems beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines im Gegenstrom betriebenen, parallel durchströmten Wämetauschers.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Tri-Flow-Kühlers.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines 2-Pfad-Kühlers.

8 zeigt eine schematische Darstellung eines Kreuzstromkühlers.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem gemäß 1 (erstes Ausführungsbeispiel) umfasst einen Hauptkühler 1 eines Verbrennungsmotors 2, der über ein flüssiges Kühlmittel in einem geschlossenen Kühlkreislauf 3 auf an sich bekannte Weise den Verbrennungsmotor 2 kühlt. Der Hauptkühler 1 ist dabei im Stirnbereich des Fahrzeugs angeordnet und wird zumindest größtenteils von Fahrwind durchströmt. Zudem ist ein Hauptlüfter 4 in saugender Anordnung an dem Hauptkühler 1 vorgesehen, mittels dessen eine ausreichende Luftdurchströmung des Hauptkühlers auch bei niedrigen Geschwindigkeiten gewährleistet ist.

Der Verbrennungsmotor 2 weist eine Aufladung seines zugeführten Frischgases 6 mittels eines Abgas-Turboladers 5 auf, wobei die aufgeladene Frischluft 6 vor einer Zuführung zu dem Verbrennungsmotor 2 aufgrund der in dem Abgas-Turbolader 5 erzeugten Erwärmung gekühlt werden muss. Hierzu ist ein von dem Hauptkühler 1 räumlich getrennter Ladeluftkühler 7 vorgesehen, welcher ein zweiter Kühler im Sinne der Erfindung ist. Der Ladeluftkühler 7 wird mittels eines als elektrischer Lüfter ausgebildeten Luftfördermittels 8 mit Umgebungsluft 9 beströmt, wodurch eine direkte Kühlung der Ladeluft 6 in einem offenen Kühlkreislauf gegeben ist. Aus der räumlichen Anordnung der Komponenten in 1 ergibt sich zudem, dass der Ladeluftkühler 7 und das Luftfördermittel 8 nicht im Stirnbereich des Fahrzeugs, sondern in einem seitlichen Motorraumbereich angeordnet sind. Aufgrund der Nichtanordung im Fahrtwindbereich wird das Luftfördermittel 8 regelmäßig dann in Betrieb sein, wenn der Ladeluftkühler 7 mit ausreichender Kühlleistung betrieben werden muss.

Zudem ist über einen Abzweig 10 in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors 2 eine teilweise Abgasrückführung vorgesehen, wobei in einer über ein Ventil (nicht dargestellt) regelbaren Schnittstelle 11 eine Zusammenführung des Abgases mit der aufgeladenen Frischluft erfolgt. Das rückgeführte Abgas wird vor der Zusammenführung im Bereich 10 in einem dritten Kühler 12 gekühlt. Der dritte Kühler 12 ist in dem Hauptkühlkreislauf des Verbrennungsmotors 2 parallel zu dem Verbrennungsmotor 2 angeordnet, so dass die abgeführte Wärme des Abgases über den flüssiggekühlten dritten Kühler 12 letztlich in das Hauptkühlmittel des Verbrennungsmotors 2 eingetragen wird.

Für ein Motorkonzept mit erhöhter Motorleistung oder höheren Abgasrückführraten stellen sich in einer Betrachtung der Wärmebilanz die Wärmeflüsse in dem Kühlsystem des Verbrennungsmotors 2 so dar, dass bedingt durch die Abgasrückführung weniger Wärmeenergie durch das Abgas nach außen gegeben wird oder im Verbrennungsmotor mehr Wärmeenergie in das Kühlmittel eingetragen wird. Die so zusätzlich in das Kühlmittel eingetragene, Wärmemenge wird durch einen größer als üblich ausgelegten Hauptkühler abgeführt. Durch die größere Auslegung des Hauptkühlers 1 ist keine an sich bekannte Kombination des Hauptkühlers mit einem Ladeluftkühler zu einer Baugruppe möglich oder von der Kühlleistung her sinnvoll. Daher ist der Ladeluftkühler 7 separat angeordnet und mit Umgebungsluft beschickt, die von einem Luftfördermittel 8 getrieben ist. In einer sehr groben Betrachtung könnte somit festgestellt werden, dass bei gegebener maximaler Ausnutzung der Kühlmöglichkeit im Stirnbereich eines Fahrzeugs sich die Wärmebilanz gemäß dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel so darstellt, dass diejenige Wärmemenge, die dem Abgas entnommen wird, im wesentlichen über den Ladeluftkühler 7 zusätzlich an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich dadurch, dass ein weiterer von Umgebungsluft umströmter und von dem Hauptkühler 1 räumlich getrennter Abgaskühler 13 vorgesehen ist, welcher in Strömungsrichtung des rückgeführten Abgases dem flüssigkeitsgekühlten ersten Abgaskühler (beziehungsweise dritten Kühler) 12 nachgeschaltet ist. Dies ist hinsichtlich der Kühlung des Abgases sinnvoll, da die Umgebungslufttemperatur regelmäßig unterhalb der Kühlmitteltemperatur liegt.

Bezüglich der Versorgung des zusätzlichen Abgaskühlers 13 mit Umgebungsluft liegt ein Abzweig 14 im Frischluftstrom 9 vor, der dem in drückender Anordnung betriebenen Luftfördermittel 8 nachgeordnet ist. In der konkreten Ausbildung kann es dabei je nach Anforderung vorgesehen sein, dass Abgaskühler 13 und Ladeluftkühler 7 unmittelbar benachbart angeordnet sind und von demselben Frischluftstrom umströmt werden, oder das sie räumlich getrennt angeordnet sind, wozu zumeist ab dem Abzweig 14 getrennte Luftleitkanäle zur Zuleitung der Frischluft zu den jeweiligen Kühlern 7, 13 vorgesehen sind.

Hinsichtlich der Wärmebilanz gemäß dem Kühlsystem des zweiten Ausführungsbeispiels ist festzustellen, dass der Hauptkühler 1 ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel besonders groß ausgelegt ist, um die zusätzliche Wärmemenge, die durch den flüssig gekühlten Abgaskühler 12 in den Kreislauf des Verbrennungsmotors 2 eingebracht wird abzuführen, wobei zudem Wärmemenge sowohl von dem luftumströmten Ladeluftkühler 307 als auch dem luftumströmenden Abgaskühler 13 an die Umgebung unmittelbar abgegeben wird.

Das Kühlsystem gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel (3) weist einen Ladeluftkühler 307 auf, der im Unterschied zu dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel nicht räumlich getrennt zu dem Hauptkühler 1 angeordnet ist, sondern mit diesem auf an sich bekannte Weise zu einer Baugruppe zusammengefasst ist. Hierdurch wird der Ladeluftkühler 307 ebenso wie der Hauptkühler 1 von Fahrtwind umströmt und bedingt somit eine Verringerung der möglichen Kühlleistung des Hauptkühlers 1.

Ebenso wie im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels liegt eine zweistufige Kühlung des rückgeführten Abgases vor, wobei die erste Stufe ebenfalls durch einen dritten Kühler 12 und die zweite Stufe durch einen luftgekühlten Wärmetauscher 13 erzielt wird. Der Wärmetauscher 13 wird von gepumpter Frischluft umströmt, wobei ein Fördermittel 308 für die Umgebungsluft bzw. Frischluft vorgesehen ist.

Eine Besonderheit liegt in dem Fördermittel 308, welches vorliegend als Antrieb eine separate Abgasturbine 308a aufweist, die über eine Kupplung 308b mit einem Lüfterrad 308c lösbar verbindbar ausgeführt sein kann. In bevorzugter Abwandlung kann das Lüfterrad 308c allerdings auch unmittelbar auf einer Welle des Abgasturboladers 5 aufgesetzt sein, um Bauteile und Bauraum zu sparen. Hierzu weist der Abgasturbolader einen modulartigen weiteren Gehäuseteil zur Ausbildung des Luftfördermittels auf (nicht dargestellt).

Das Kühlsystem gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel (4) weist Ähnlichkeiten mit dem des dritten Ausführungsbeispiels auf. Abweichend liegt jedoch eine zweistufige Aufladung des Verbrennungsmotors 2 mit einem ersten Abgasturbolader 5a und einem zweiten Abgasturbolader 5b vor, welche seriell hintereinander angeordnet sind. Nach einer ersten Aufladungsstufe der Frischluft durch den zweiten Abgasturbolader 5b ist ein luftumströmter Zwischenkühler 415 vorgesehen, welcher die vorverdichtete Ladeluft herunterkühlt, bevor sie in die Verdichterstufe des ersten Abgasturboladers 5a eintritt und dort endverdichtet wird. Der Zwischenkühler 415 kann dabei als „zweiter Kühler" oder auch als „weiterer Kühler" im Sinne der Erfindung dienen. Nach Endverdichtung durchströmt die verdichtete Ladeluft den im Prinzip aus dem dritten Ausführungsbeispiel bekannten und mit dem Hauptkühler 1 zu einer Baueinheit vereinheitlichten Hauptladeluftkühler 407, wonach an einer Schnittstelle 11 rückgeführtes Abgas der endverdichteten und gekühlten Ladeluft zugeführt wird. Das rückgeführte Abgas wird ebenso wie im dritten Ausführungsbeispiel zweistufig über einen flüssiggekühlten zweiten Kühler 12 und einen luftgekühlten Kühler 13 gekühlt. Insgesamt erliegen im vierten Ausführungsbeispiel somit zwei luftgekühlte Gaskühler 415, 13 vor, welche von dem Hauptkühler 1 bzw. dem Hauptladeluftkühler 407 räumlich getrennt im Motorraum angeordnet sind. Zur Versorgung dieser beiden Kühler 415, 13 mit kühler Umgebungsluft ist ein elektrisch betriebenes und als Radiallüfter ausgebildetes Luftfördermittel 8 vorgesehen, welches in drückender Anordnung Luft durch einen Abzweig 414 drückt, durch den die Kühlluft auf die beiden Kühler 13, 415 verteilt wird. In dem Zuleitungskanal zu dem Kühler 13 ist zudem ein einstellbares Ventil bzw. eine Stellklappe 416 vorgesehen. Durch Regelung dieser Stellklappe 416 kann eine geregelte Aufteilung des Kühlluftstroms auf die beiden Kühler 13, 415 eingestellt werden. Hierdurch ist eine Optimierung des Kühlsystems je nach Betriebszustand möglich. In dem vierten Ausführungsbeispiel sind somit insgesamt vier Kühler 1, 13, 407, 415 vorgesehen, die eine direkte offene Kühlung mit Umgebungsluft bewirken und somit von dem Verbrennungsmotor 2 erzeugte Wärme in die Umgebung abgeben.

Unabhängig von den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 zeigen 5 bis 8 beispielhafte schematische Ausführungen von Wärmetauschern, die von ihrer Bauart her für einen erfindungsgemäßen zweiten Kühler oder auch einen weiteren Kühler besonders geeignet sind.

Dabei zeigt 5 einen parallel durchströmten, im Gegenstrom betriebenen Wärmetauscher 501, welcher in eine Richtung von einem Primärmedium 20und in einer dazu getrennten Kammer in Gegenrichtung von einem Kühlluftstrom 21 (Sekundärmedium) durchströmt wird.

6 zeigt einen Tri-Flow-Kühler, 601, welcher in einer Richtung von dem zu kühlenden Primärmedium 20 durchströmt wird. Bei insgesamt drei Anschlussstutzen 602, 603, 604 wird Kühlluft an den beiden endseitigen Stutzen 602, 604 zugeleitet und durch den mittigen Stutzen 603 abgeleitet. In einem ersten Abschnitt des Tri-Flow-Kühler 601 fließt die Kühlluft somit gleichgerichtet mit dem Primärmedium und in dem nachfolgenden zweiten Abschnitt entgegengerichtet zu dem Primärmedium. Hierdurch lässt sich die Kühlleistung bei ausreichender zur Verfügung stehender Menge an Kühlluft 21 und bei gegebenen Baumaßen besonders vergrößern, wobei zudem eine gleichmäßige Erhitzung des Kühlers 601 gegeben ist.

Ähnlich wie der Tri-Flow-Kühler kann die Kühlleistung durch einen Zwei-Pfad-Kühler 701 (siehe 7) optimiert werden, wobei die Kühlluft 21 über jeweils vier an dem Kühler vorgesehene Anschlüsse 702, 703, 704, 705 ein- und austritt, wobei zwei gegen Stromrichtung betriebene Kühlpfade sequentiell entlang des Pfades des Primärmediums 20 vorgesehen sind.

8 zeigt einen Kreuzstromkühler, bei dem Primärmedium 20 und Kühlluft 21 im Wesentlichen im rechten Winkel zueinander strömen. Ein Kreuzstromkühler 801 ist einfach herstellbar und effektiv falls der erforderliche Bauraum zur Verfügung steht.

Ein zweiter Kühler im Sinne der Erfindung kann vom Aufbau her eine Rohrbündelbauweise aufweisen, insbesondere mit luftgekühlter Berippung. Es kann sich auch um eine Scheibenbauweise mit axialer Durchströmung des Primärgases handeln, insbesondere mit beidseitiger Berippung, insbesondere mit einem umgebenden Gehäuse. Alternativ kann ein zweiter Kühler eine Scheibenbauweise aufweisen, bei der das Primärmedium die Scheiben quer anströmt; auch hier kann eine Berippung vorliegen. Sowohl Primärseite als auch Sekundärseite können jeweils mit Turbulenzerzeugern (Winglets) oder auch innenberippt ausgestaltet sein.

Ganz allgemein kann bei jedem der beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgesehen sein, dass die durch den Kühlungsprozess erwärmte Frischluft nicht oder nur teilweise in die Umgebung abgeführt und für eine Heizung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet wird. Dies kann über Beimischung oder mittels eines Wärmetauschers geschehen. Hierzu können nicht eingezeichnete Kühlluftkanäle und Regelklappen auf einfache Weise dienen.

Da durch ein erfindungsgemäßes Kühlsystem Wärmetauscher aus der Fahrzeugfront verlagert werden, kann der gegebenenfalls freiwerdende Bauraum besonders sinnvoll auch zur Implementierung eines zusätzlichen Niedertemperaturkühlmittelkreislaufs neben dem Hauptkülmittelkreislauf genutzt werden, mit einem weitgehend vor dem Hauptmittelkühler an der Fahrzeugstirnseite angeordneten zweiten Kühlmittelkühler. Analog kann statt eines Niedertemperaturkühlmittelkreises auch ein Kältemittelkreislauf vorgesehen sein wobei statt des zweiten Kühlmittelkühlers ein Kondensator weitgehend vor dem Kühlmittelkühler angeordnet ist.

Alle insbesondere auch in den Ausführungsbeispielen genannten Bauteile und Anordnungen können in beliebiger Form kombiniert sein. Dies gilt insbesondere für die Art und Bauweise der Wärmetauscher, der Luftförderelemente, Kupplungselemente, Ventile, Bypassrohre und Auslässe der Kühlluft in die Umgebung, die jeweils in unterschiedlicher Anordnung und Anzahl in das Kühlsystem integriert sein können.

Da sich die Kühlluft stark erhitzen kann, können am Auslass der Kühlluft in die Umgebung Maßnahmen vorgesehen werden um die unzulässige Erhitzung von anderen Fahrzeugkomponenten oder Gefährdung von Personen, insbesondere auch Passanten, auszuschließen. Dies kann durch eine geeignete Positionierung des Auslasses, insbesondere z.B. oberhalb der Fahrerkabine, erfolgen. Vorteilhaft kann auch eine Abgabe der Kühlluft über den Auspuff sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die Kühlluft am Auslass mit Umgebungsluft vermischt und so abgekühlt werden. Besonders sinnvoll kann hierbei eine starke Verwirbelung der Kühlluft am Austritt sein, insbesondere ist dabei die Beaufschlagung mit starkem Drall zu nennen, die besonders effektiv zum Aufbrechen des austretenden Gasstrahls und damit zu effizienter Durchmischung mit Umgebungsluft führt.


Anspruch[de]
Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend

einen ersten im wesentlichen in der Fahrzeugfront angeordneten Wärmetauscher (1), der insbesondere als Hauptkühler ausgebildet ist, zur Kühlung eines Kühlmittels (3) eines Verbrennungsmotors (2) durch einen Luftstrom aus Umgebungsluft, sowie bedarfsweise zusätzliche Wärmetauscher zur Kühlung oder Heizung weiterer Medien und

einen zweiten Kühler (7, 13, 407, 415), der durch einen Luftstrom aus Umgebungsluft kühlbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) räumlich getrennt von dem Hauptkühler (1) angeordnet ist, wobei der Luftstrom für den zweiten Kühler (7, 13, 407, 415) und der Luftstrom für den Wärmetauscher (1) räumlich getrennt von einander aus der Umgebung entnommen werden.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) der Kühlung eines dem Verbrennungsmotor (2) zuführbaren Gases, insbesondere Abgas und/oder Ladeluft dient. Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Verbrennungsmotor (2) zuführbare Gas im zweiten Kühler (7, 13, 407, 415) und/oder in mindestens einem zusätzlichen Wärmetauscher mindestens zweistufig abkühlbar ist, insbesondere der zusätzliche Wärmetauscher vor- oder nachkühlbar ist, wobei der zusätzliche Wärmetauscher insbesondere kühlmittelgekühlt und/oder luftgekühlt ist und/oder insbesondere wie der zweite Kühler in einem erfindungsgemäß ausgeführten Kühlluftkreislauf anordenbar ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftfördermittel (8) vorgesehen ist, mittels dessen der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) mit einem Luftstrom aus Umgebungsluft beströmbar ist, wobei das Luftfördermittel (8) insbesondere ein bezüglich eines Hauptlüfters (4) des ersten Wärmetauschers (1) separates Luftfördermittel ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel (8) ein Radiallüfter ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel (8) ein Axiallüfter ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel (8) über einen Elektromotor antreibbar ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel (8) mechanisch mit dem Verbrennungsmotor koppelbar ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel (308) über eine Abgasturbine antreibbar ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfördermittel (308c) mit einer Welle eines Abgas-Turboladers zur Luftaufladung antreibbar ist. Kühlsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Antrieb des Luftfördermittels (8, 308) selektierbar regelbar, insbesondere an- und abschaltbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Kühler (12) vorgesehen ist, welcher von dem dem Verbrennungsmotor zuführbaren Gas durchströmt wird, wobei das Gas in dem dritten Kühler (12) mittels eines flüssigen Mediums, insbesondere eines Kühlmittels (3) des Verbrennungsmotors (2), kühlbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) von einem zu dem Verbrennungsmotor (2) rückgeführten Abgasstrom durchströmbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) ein Niederdruck-Abgaskühler in einem ein- oder mehrstufigen Abgaskühlerkonzept ist, wobei das in den Kühler geführte Abgas nach einer letzten Stufe eines Abgas-Turboladersystems (5, 5a, 5b), insbesondere stromab der Komponenten zur Abgasnachbehandlung entnehmbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) von einem zu dem Verbrennungsmotor (2) geführten Strom aus aufgeladener Frischluft (6) durchströmbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) von einem Gemisch aus zu dem Verbrennungsmotor (2) geführter aufgeladener Frischluft (6) und Abgas durchströmbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) ein Parallelstromkühler (501, 601, 701), insbesondere ein Gegenstromkühler ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) ein Tri-Flow-Kühler (601) ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler ein zumindest zweipfadiger Kühler (701) ist. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) ein Kreuzstromkühler (801) ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer luftgekühlter Kühler (7, 13, 307, 407, 415) vorgesehen ist, wobei der zweite Kühler (7, 13, 407, 415) zur Kühlung von einem der beiden, Abgas oder frischer Ladeluft, und ein weiterer Kühler zur Kühlung von dem jeweils anderen der beiden ausgebildet ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom aus Umgebungsluft durch ein gemeinsames Luftfördermittel (8) sowohl zu dem zweiten Kühler (7, 13, 407, 415) als auch zu einem weiteren Kühler (7, 13, 407, 415) förderbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem zweiten Kühler (7, 13, 407, 415) und/oder der einem weiteren Kühler zugeordnete Luftstrom über ein Ventilmittel (416), insbesondere eine stellbare Klappe, in seiner Größe veränderbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Führung des zu kühlenden Gases ein veränderbarer Abzweig, insbesondere ein Bypass, um den zweiten Kühler (7, 13, 407, 415) oder einen weiteren Kühler vorgesehen ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abströmende Kühlluft des zweiten Kühlers (7, 13, 407, 415) zumindest teilweise einem Fahrzeuginnenraum zu Zwecken der Heizung zuführbar ist. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansaugung von Umgebungsluft zur Kühlung des zweiten Kühlers außerhalb des Motorraums stattfindet. Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansaugung von Umgebungsluft zur Kühlung des zweiten Kühlers im Bereich eines Radkastens angeordnet ist.






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