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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zwei Wärmetauschern zur Kühlung von
Kühlmedien nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Mit
zunehmender Komplexität
von Kraftfahrzeugsystemen sowie einer zunehmenden Baudichte und
daraus resultierender Stauwärme
im Motorraum von Kraftwagen in deren Betrieb besteht ein steigender
Kühlbedarf
für verschiedene
Systeme und Komponenten. Neben einem Hauptwasserkühler, welcher die
von einer Kühlflüssigkeit
abtransportierte Abwärme
des Kraftfahrzeugmotors an die Umgebungsluft abgibt, müssen weiterhin
Kühler
für Klimakreisläufe und
je nach Motorisierung und Kühlkonzept
weitere Kühler
wie Ladeluftkühler,
Lenkhilfekühler,
Getriebe- und Ölkühler bereitgestellt
werden.
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Die
Wärmetauscher
dieser Kühlsysteme sind
dabei in der Regel im vorderen Bereich des Motorraumes hinter einer
Lufteintrittsöffnung
angeordnet und verfügen über Gebläse, die
bei niedrigen Fahrtgeschwindigkeiten die Kühler mit einem zusätzlichen
Luftstrom beaufschlagen können.
Die Ausführung
solcher Gebläse
als Axiallüfter,
die motorraumseitig hinter den Wärmetauschern
angeordnet sind und damit als Sauglüfter arbeiten, ist dem Stand
der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. In der Regel sind
die Wärmetauscher
mit rechteckiger Grundfläche
ausgeführt,
während
die Axiallüfter
einen kreisringförmigen
Strömungsquerschnitt
besitzen. Diese Unterschiedlichkeit der Geometrien führt zu einem
typischerweise auftretenden inhomogenen Durchströmen der Kühler. Dadurch wird sowohl der Druckverlust
in den Luftpfaden spürbar
erhöht,
als auch die Effektivität
der Wärmeabgabe über den Wärmetauscher
erheblich reduziert.
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Weiterhin
bringt die Anordnung der Gebläse in
Strömungsrichtung
hinter den Wärmetauschern den
Nachteil mit sich, dass die Gebläse
dadurch die bereits von den Wärmetauschern
erhitzte Luft fördern
müssen.
Durch das Erhitzen der Luft verringert sich deren Dichte, der von
den Gebläsen
zu fördernde
Volumenstrom erhöht
sich dadurch, was wiederum die effektive Förderleistung senkt.
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Eine
solche gängige
Anordnung von Lüftern und
Wärmetauschern
in einem Kraftfahrzeug muss bei zwei Betriebsarten, nämlich Langsam-
und Schnellfahrt des Kraftfahrzeuges, gleichzeitig zuverlässig arbeiten.
Es ist also nicht möglich
eine solche Lüfter-Wärmetauscheranordnung
auf beide Betriebsarten hin zu optimieren, die Auslegung muss vielmehr
einen Mittelweg finden, wodurch Kompromisse in Kauf genommen werden.
So muss beispielsweise bei großen
Fahrgeschwindigkeiten der zur Kühlung des
Wärmetauschers
genutzte Fahrtwind in einem üblichen
Kühlsystem
nach Durchströmen
des Wärmetauschers
noch den Lüfter
durchströmen,
was zu einem massiven Druckverlust im Luftpfad führt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, Druckverluste
bei der Durchströmung
von Wärmetauschern
in einem Kraftfahrzeug zu vermindern und die Effizienz der Wärmeabgabe von
den Wärmetauschern
an die Umgebungsluft zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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In
einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug sind
zwei durch eine Trennwand zumindest bereichsweise voneinander getrennte
Luftkanäle
angeordnet, über
welche Luft von einer Lufteintrittsöffnung zu einem ersten und
einem zweiten Wärmetauscher
leitbar ist. Den beiden Wärmetauschern
ist dabei zumindest ein Gebläse
zugeordnet. Jedes Gebläse
ist in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug
in Richtung der Fahrzeugfront vor einem Wärmetauscher angeordnet. Durch
die Auftrennung des Kühlluftpfades
in zwei getrennte Luftkanäle
ist eine Auslegung ermöglicht,
die jedem einzelnen der Wärmetauscher
gerade die im Verhältnis
benötigte
Kühlluftmenge
zur Verfügung
stellt. Die Anordnung der Gebläse
in Richtung der Fahrzeugfront vorne ermöglich weiterhin vorteilhaft
eine bessere Durchströmung
der Wärmetauscher
mit Luft, indem die Inhomogenität
der Durchströmung
der Wärmetauscher über ihre
Fläche,
die bei gängigen
Systemen auftritt, wesentlich verringert werden kann. Dadurch treten
geringere Druckverluste auf, was den Luftmassenstrom durch die Wärmetauscher
erhöht
und damit ihre Kühlleistung
verbessert. Aufgrund der verbesserten Kühlleistung ist es dann möglich, die
Kühlernetzfläche kleiner
auszulegen als bei Kraftfahrzeugen des Standes der Technik und damit
Bauraum im Motorraum zu gewinnen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vor jedem Wärmetauscher
ein Gebläse
angeordnet, wobei das erste und das zweite Gebläse bevorzugt unabhängig voneinander
steuerbar sind. Dadurch kann für
jeden der beiden Wärmetauscher
die jeweils genaue benötigte
Luftmenge zur Verfügung
gestellt werden.
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In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist im ersten und
im zweiten Luftkanal jeweils eine steuerbare oder sich durch Staudruck selbsttätig einstellenden
Verschlusseinrichtung in Form einer Jalousie oder Staudruckklappe
vorgesehen. Wenn in einem der Luftpfade kein Kühlluftbedarf besteht, kann
durch diese Verschlusseinrichtungen der jeweilige Luftpfad abgeschlossen
werden, was vorteilhaft den aerodynamischen Widerstandsbeiwert cw des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs verringert.
Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges gesenkt
und ein ökonomischerer Betrieb
ermöglicht.
Durch teilweises Öffnen
der Verschlusseinrichtungen ist es auch in Betriebszuständen, in
denen kein Bedarf zur Aktivierung des Gebläses besteht, ermöglicht,
den Luftmassenstrom durch die beiden Luftkanäle exakt auf den Kühlluftbedarf einzustellen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die erste und die zweite Verschlusseinrichtung unabhängig voneinander
steuerbar. Damit können
die Luftströme
durch die beiden Wärmetauscher auch
in Betriebszuständen,
in denen kein Bedarf zur Aktivierung des Gebläses besteht, unabhängig voneinander
gesteuert werden. In einer weiteren Ausführungsform sind die erste und/oder
die zweite Verschlusseinrichtung in Form von Verschlusseinrichtungen
ausgebildet. Solche Verschlusseinrichtungen können besonders bauraumsparend
im Bereich der Luftkanäle
verbaut werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des ersten und des zweiten
Gebläses
sowie der ersten und der zweiten Verschlusseinrichtung vorgesehen.
Eine solche Steuereinrichtung ermöglicht eine durchgängig optimierte,
kennfeldgesteuerte Regulierung des Luftstroms durch die beiden Luftkanäle und damit durch
die beiden Wärmetauscher.
Durch geeignete Sensoren erhobene Eingangsdaten, welche die Kühlmitteltemperatur
in den beiden Wärmetauschern,
die momentane Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder auch
weitere Parameter wie Außenlufttemperatur
und Lufttemperatur im Motorraum umfassen, werden von der Steuereinrichtung verarbeitet,
woraufhin diese die für
den durch diese Daten definierten Betriebspunkt besten Einstellungen
für die
beiden Gebläse
und Verschlussseinrichtungen vornimmt. Es kann also für jeden
Betriebspunkt des Kraftfahrzeugs jederzeit ein optimaler Kompromiss
zwischen einer optimalen Gestaltung des Luftmassenstroms durch die
Wärmetauscher und
einem Bereitstellen eines möglichst
geringen Widerstandsbeiwerts cw des Fahrzeuges
definiert werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das erste und/oder das zweite Gebläse als Radialgebläse oder
als Querstromgebläse
ausgebildet. Solche Gebläsetypen
können
besonders vorteilhaft leicht seitlich versetzt außerhalb
des Hauptluftstroms angeordnet werden. Ein Überblasenwerden des Gebläses durch
den Fahrtwind, sowie Druckverluste im Hauptluftstrom infolge der
Strömungsbehinderung
durch das Gebläse
werden somit vorteilhaft vermieden.
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Im
Folgenden sollen anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung näher erläutert werden,
wobei
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1 eine
schematische Vorderansicht der beiden Wärmetauscher und zugeordneten
Gebläse eines
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs
zeigt,
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2 eine
schematische Draufsicht auf die Anordnung von Wärmetauschern und Gebläsen im Motorraum
eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zeigt,
und
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3 bis 5 schematische
Seitenansichten von alternativen Anordnungen von Gebläsen und Wärmetauschern
im Motorraum eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs
darstellen.
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In
der in 1 dargestellten Ansicht von der Front eines Kraftfahrzeugs
aus auf die Wärmetauscher
des Fahrzeugs ist zu erkennen, wie ein als Hauptwasserkühler ausgeführter erster
Wärmetauscher 12 neben
einem als Klimakondensator ausgeführten zweiten Wärmetauscher 14 angeordnet
ist. Zwischen den beiden Wärmetauschern
verläuft
eine Trennwand 16, die den Luftstrom auf die beiden Wärmetauscher
hin in zwei separate Luftkanäle
un terteilt. Dem Hauptwasserkühler 12 ist
ein erstes Gebläse 18 zugeordnet,
welches in der gezeigten Ausführungsform
als Querstromgebläse
ausgeführt
ist. Ein zweites Querstromgebläse 20 ist
dem Klimakondensator 14 zugeordnet. Durch die Ausführung der
beiden Gebläse
als Querstromgebläse
ist eine seitlich bezüglich
der Fahrzeugquerachse y versetzte Positionierung der Gebläse 18 und 20 ermöglicht,
diese liegen also außerhalb
des Hauptluftstroms auf eine Kühlnetzfläche 22 des
Hauptwasserkühlers 12 und
eine Kühlnetzfläche 24 des
Klimakondensators 14. Bei schneller Fortbewegung des Fahrzeugs,
also in einem Betriebszustand, in welchem durch den Fahrtwind genügend Kühlluft zur
Verfügung
gestellt wird, behindern die beiden Gebläse 14 und 16 somit
nicht die Anströmung
der Kühlnetzflächen 22 und 24.
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In 2 ist
die Anordnung aus 1 in Draufsicht gezeigt. Es
ist zu erkennen, wie die Trennwand 16 den Luftstrom von
einer an der Fahrzeugfront (in der 2 unten)
angeordneten Lufteintrittsöffnung 26 auf
die Wärmetauscher 12 und 14 in
zwei getrennte Luftkanäle 28 und 30 aufteilt.
Im frontseitigen Bereich der Luftkanäle 28 und 30 sind
dabei als Jalousien ausgebildete Verschlusseinrichtungen 32 und 34 angeordnet,
durch welche die Luftkanäle 28 und 30 verschlossen
werden können.
Wenn zumindest einer der Kühler 12 und 14 keine
Kühlluft
benötigt,
ist durch den Verschluss der zugeordneten Verschlusseinrichtung 32 und 34 eine
entsprechende Verbesserung des Widerstandsbeiwertes cw des Fahrzeugs
möglich.
Nach Durchtritt durch die Wärmetauscher 12 und 14 wird
die einströmende
Luft weiter in einen Motorraum 36 und auf den Motor 38 des
Kraftfahrzeugs gelenkt. In 2 ist besonders gut
die seitlich versetzte Anordnung der Querstromlüfter 18 und 20 zu
erkennen, es ist deutlich, dass der volle Querschnitt der Luftkanäle 28 und 30 für die Beaufschlagung
der Gebläse 12 und 14 mit
Kühlluft
zur Verfügung
steht, ohne dass ein Druckverlust an den Lüftern 18 und 20 auftritt.
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3 zeigt
eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 10 mit
einer Anordnung von Wärmetauschern
und Gebläsen
im Motorraum 36. Der Hauptwasserkühler 12 ist dabei
in Richtung der Fahrzeughochachse z unter dem Klimakondensator 14 angeordnet,
wobei die beiden Kühler
teilweise überlappend
angeordnet sind, so dass ein Teilluftstrom des durch den Luftkanal 30 geleiteten
Luftstromes nach Durchtritt durch den Klimakondensator 14 auch noch
einen Teil des Hauptwasserkühlers 12 durchströmt. Die
Trennwand 16 verläuft
im Wesentlichen parallel zu einer Fronthaube 40 bzw. einer
Bodenverkleidung 42 (in der Figur unten) des Motorraums 36. Das
dem Hauptwasserkühler 12 zugeordnete
Gebläse 18 ist
dabei in einem unteren Bereich des Luftkanals 28 nahe der
Bodenverkleidung 42 angeordnet und liegt in Richtung zur
Fahrzeugfront vor dem Hauptwasserkühler 12. Das dem Klimakondensator 14 zugeordnete
Gebläse 20 ist
im oberen Bereich des Luftkanals 30 nahe der Fronthaube 40 angeordnet
und liegt ebenfalls in Fahrtrichtung des Fahrzeuges betrachtet vor
dem Klimakondensator 14 und dem Hauptwasserkühler 12.
Von den Gebläsen 18 und 20 zieht
sich jeweils eine Verschlusseinrichtung 32, 34 schräg nach vorne
auf die Fahrzeugfront zum Verschließen der Luftkanäle 28 und 30 zu.
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4 zeigt
eine weitere alternative Anordnung der Gebläse 18 und 20,
wobei die Anordnung von Hauptwasserkühler 12 und Klimakondensator 14 sowie
die Aufteilung der Luftkanäle 28 und 30 der
in 3 gezeigten entspricht. Die Gebläse 18 und 20 sind
hierbei im Bereich der Trennwand 16 angeordnet, und über eine
Haltervorrichtung 19 mit dieser verbunden. Die Verschlusseinrichtungen 32 und 34, über die
der Luftstrom in die Luftkanäle 28 und 30 unterbrochen
werden kann, verlaufen ausgehend vom zugeordneten Gebläse 18, 20 in
Richtung der Fahrzeughochachse und schließen mit der Bodenverkleidung 42 bzw.
der Fronthaube 40 ab.
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Eine
weitere alternative Anordnung, die mit nur einem Gebläse 20' auskommt, ist
in 5 gezeigt. Auch hier entspricht die Anordnung
von Hauptwasserkühler 12 und
Klimakondensator 14 derjenigen in den 3 und 4.
Das einzige Gebläse 20' in dieser Anordnung
ist dabei vor dem Klimakondensator 14 in Richtung der Fahrzeughochachse
oben direkt unter der Fronthaube 40 angebracht. Die Verschlusseinrichtung 34 verläuft schräg vom Gebläse 20' in Richtung
der Fahrzeugfront auf ein kurzes Trennelement 16' zu. Die Verschlusseinrichtung 32 ist
in Richtung der Fahrzeughochachse unter dem Trennelement 16' angeordnet,
und bildet einen steuerbaren Verschluss für einen unteren Teil der Lufteintrittsöffnung 26, über die
die Luft ohne Unterstützung des
Gebläses 20' auf den Hauptwasserkühler 12 strömen kann.
Hinter dem Hauptwasserkühler 12 ist eine
weitere Verschlusseinrichtung 32' angebracht, welche den Teilbereich,
in dem sich der Hauptwasserkühler 12 nicht
mit dem Klimakondensator 14 überlappt, abdeckt, und eine
zusätzliche
Feinregelung des Luftstromes ermöglicht.
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In
allen gezeigten Ausführungsformen
ist weiterhin eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Steuern
der Gebläse 18 und 20 sowie
der Verschlusseinrichtungen 32 und 34 vorgesehen.
Durch die unabhängige
Steue rung der Gebläse
und der Verschlusseinrichtungen ist eine Optimierung des Luftdurchsatzes
durch die Luftkanäle 28 und 30 für verschiedene
Betriebspunkte des Fahrzeugs ermöglicht.
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Besteht
im Leerlauf bzw. bei kleinen Fahrtgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs
kein Lüftungsbedarf,
so sind beide Verschlusseinrichtungen 32 und 34 geschlossen,
die Gebläse 18 und 20 sind
außer Betrieb.
Der Energieverbrauch durch die Gebläse ist in diesem Betriebszustand
minimiert, der Widerstandsbeiwert cw des
Kraftfahrzeugs ist optimal niedrig. Meldet nun bei gleicher Fahrtgeschwindigkeit
ein hierzu bereitgestellter Sensor (nicht gezeigt) einen Kühlluftbedarf
des Klimakondensators 14, so wird von der Steuereinrichtung
lediglich das Gebläse 20 aktiviert,
die Verschlusseinrichtungen bleiben weiterhin geschlossen. Ebenso
wird bei einem durch einen weiteren hierzu bereitgestellten Sensor
(nicht gezeigt) festgestellten Kühlluftbedarf
des Hauptwasserkühlers 12 lediglich
um das Gebläse 18 aktiviert,
bei Langsamfahrt oder im Leerlauf bleiben die Verschlusseinrichtungen 32 und 34 weiterhin
geschlossen. So bleibt also bei langsamer Fahrt des Kraftfahrzeugs
der Luftwiderstandsbeiwert cw jederzeit
bestmöglich,
es wird jeweils nur dasjenige Gebläse aktiviert, welches tatsächlich benötigt wird.
Dadurch wird weitere Energie eingespart und der Betrieb des Kraftfahrzeuges ökonomischer
gestaltet.
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Bei
schneller Fahrt des Kraftfahrzeuges bleiben wiederum beide Lüfter 18 und 20 deaktiviert
und die Verschlusseinrichtungen 32 und 34 geschlossen, solange
keiner der Sensoren einen Kühlluftbedarf
an die Steuereinrichtung meldet. Meldet die Klimaanlage einen Kühlluftbedarf
für den
Klimakondensator 14, so wird von der Steuereinrichtung
lediglich die Verschlusseinrichtung 34 geöffnet, Verschlusseinrichtung 32 bleibt
geschlossen, die Gebläse 18 und 20 außer Betrieb.
Durch ein selektives Öffnen
lediglich der Verschlusseinrichtung 34 für den Kühlluftkanal 30 des
Klimakondensators 14 wird wiederum eine Verschlechterung
des Strömungswiderstandsbeiwerts cw des Kraftfahrzeugs vermieden. Meldet der
entsprechende Sensor einen Kühlluftbedarf
für den Hauptwasserkühler 12,
so wird durch die Steuereinrichtung die Verschlusseinrichtung 32 geöffnet, so dass
Fahrtwind durch den Luftkanal 38 auf den Hauptwasserkühler 12 strömen kann.
Die Gebläse 20 und 18 bleiben
weiterhin außer
Betrieb.
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Für jeden
Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ist somit ein entsprechender
Betriebszustand der Anordnung von Wärmetauschern 12 und 14,
Gebläsen 18 und 20,
sowie Verschlusseinrichtungen 32 und 34 vorgesehen.
Das Kraftfahrzeug 10 wird also in jedem Betriebszustand
derart mit Kühlluft
versorgt, dass ein optimaler Kompromiss zwischen Kühlluftzufuhr
an die Wärmetauscher,
Energieverbrauch der Gebläse 18 und 20,
sowie niedriger Festlegung des Luftwiderstandsbeiwerts cw des Kraftfahrzeugs 10 gewährleistet
ist.