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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lüftungsvorrichtung für ein Kühlmodul insbesondere in einem Fahrzeug, auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Lüftungsvorrichtung und auf ein Kühlsystem insbesondere für ein Fahrzeug.
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Für die Motorkühlung von Nutzkraftwagen (NKW) kommen fast ausschließlich einzelne große Lüfter zum Einsatz, die direkt oder indirekt vom Verbrennungsmotor angetrieben werden. Üblich ist der Einsatz einer Viscokupplung im Lüfterantriebsstrang zwischen Fahrzeugmotor und Lüfter. Alternativ kommen auch hydrostatische Antriebe zum Einsatz, bevorzugt z. B. bei Bussen und Baumaschinen. Ein derartiger Lüfter kann prinzipiell auch mittels einer Viscokupplung mit integriertem Elektroantrieb oder mittels einer Viscokupplung mit Unterstützung durch einen externen Elektroantrieb angetrieben sein.
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Eine Viscokupplung zeigt prinzipbedingt eine hohe Leistungsaufnahme bei kleinen Lüfterdrehzahlen, siehe 5. Die Kombination einer Viscokupplung mit einem in die Viscokupplung integrierten zusätzlichen Elektroantrieb bedingt eine erhöhte Bauteil-Komplexität des Lüfterantriebs durch die Einbeziehung weiterer elektrischer Komponenten. Eine ausschließliche Verwendung von mehreren Elektrolüftern für die Motorkühlung eines schweren NKW ist aufgrund des hohen Leistungsbedarfs in der Größenordnung von > 20 kW bei voller Lüfterzuschaltung praktisch nicht realisieren, da heute am Markt verfügbare (bürstenlose) Elektromotoren maximale Nennleistungen von 1 kW zeigen. Eine Bündelung einer Vielzahl kleinerer Elektrolüfter ist auch im Bezug auf die Geräuschentwicklung und das dynamische Schwingungsverhalten problematisch. Die Kombination eines elektrischen Kondensatorlüfters vor dem Kondensator als drückender Lüfter mit einem hinter dem Kühlmittelkühler angeordneten Viscolüfter ist für schwere NKW so nicht sinnvoll realisierbar, da der Viscolüfter einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist und um ca. eine Größenordnung leistungsstärker ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lüftungsvorrichtung für ein Kühlmodul in einem Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Lüftungsvorrichtung und ein verbessertes Kühlsystem für ein Fahrzeug zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Lüftungsvorrichtung, ein Verfahren sowie ein Kühlsystem gemäß den Hauptansprüchen gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein über den Fahrzeugantrieb angetriebener Lüfter vorteilhaft mit einem oder mehreren elektrisch angetriebenen Lüftern kombiniert werden kann. Somit wird nicht ein Lüfter mit einem kombinierten Antrieb versehen, sondern es sind zumindest zwei Lüfter mit jeweils getrenntem Antrieb und getrennten Luftpfaden vorgesehen. Die unterschiedlichen Antriebsarten für die Lüfter können in Kombination mit der Geometrie des jeweils zugehörigen Lüfters einen über das beabsichtigte Betriebsspektrum hinweg vorteilhaften Einsatz der Lüftungsvorrichtung ermöglichen.
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Vorteilhafterweise kann somit das Verhältnis von Kühlleistung zu eingesetzter Energie verbessert werden. Somit ergibt sich eine Kostensenkung zum einen aus der verbesserten Energiebilanz.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Lüftungsvorrichtung für ein Kühlmodul in einem Fahrzeug, wobei die Lüftungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen ersten Lüfter zum Bewegen von Kühlluft in einem ersten Luftpfad durch das Kühlmodul hindurch;
eine Kopplungseinheit zum Ankoppeln des ersten Lüfters an eine Antriebseinheit zum Antreiben des Fahrzeugs;
zumindest einen zweiten Lüfter zum Bewegen von Kühlluft in einem sich von dem ersten Luftpfad unterscheidenden, zweiten Luftpfad durch das Kühlmodul hindurch; und
zumindest einen Elektromotor zum Antreiben des zumindest einen zweiten Lüfters.
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Unter einem Fahrzeug kann hierbei ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Straßenfahrzeug, verstanden werden, wie beispielsweise ein Lastkraftwagen, Personenkraftwagen oder irgendein anderes Nutzfahrzeug. Das Kühlmodul kann eines oder mehrere Kühlelemente wie Ladeluftkühler, Kühlmittelkühler, Niedertemperaturkühler und/oder dergleichen sowie einer Lüfterhaube mit Anbauteilen umfassen. Die Kühlelemente des Kühlmoduls können hierbei in Strömungsrichtung der Kühlluft nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein. Die Lüftungsvorrichtung ist zum Bewirken einer Kühlluftströmung durch das Kühlmodul hindurch vorgesehen. Dazu sind die Lüfter der Lüftungsvorrichtung ausgebildet, um die Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch zu bewegen, beispielsweise zu saugen oder zu drücken. Die Antriebseinheit kann eine Brennkraftmaschine, einen Elektromotor oder dergleichen zum Antreiben des Fahrzeugs sein. Eine Ausgangswelle der Antriebseinheit kann über die Kopplungseinheit auch den ersten Lüfter antreiben. Bei der Kopplungseinheit kann es sich um eine Flüssigkeitsreibungskupplung, wie beispielsweise eine Viscokupplung, oder eine andere geeignete Kupplung oder mechanische Getriebe- oder Kopplungsvorrichtung handeln. Die Durchmesser sowie die aerodynamische Auslegung der verschiedenen Lüfter können im Hinblick auf ein optimales Systemverhalten jeweils fahrzeugspezifisch aufeinander abgestimmt sein. Der erste Lüfter kann dabei einen größeren Durchmesser als der zumindest eine zweite Lüfter aufweisen. Der erste Luftpfad, auf dem sich die durch den ersten Lüfter bewegte Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch bewegt, kann so angeordnet sein, dass er nicht den zweiten Luftpfad überlappt, auf dem sich die durch den zweiten Lüfter bewegte Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch bewegt. In diesem Fall überlappen sich der erste Lüfter und der zumindest eine zweite Lüfter ebenfalls nicht. Drehachsen der Lüfter können voneinander beanstandet sein, so dass keine. Überlappung der Drehbereiche der Lüfter gegeben ist. Bei dem Elektromotor, der den zumindest einen zweiten Lüfter antreibt, kann es sich beispielsweise um einen bürstenlosen Elektromotor handeln.
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Es kann eine Lüfterhaube vorgesehen sein, die eine erste Durchgangsöffnung für den ersten Luftpfad und zumindest eine zweite Durchgangsöffnung für den zweiten Luftpfad aufweist. Bei der Lüfterhaube kann es sich um ein Rahmenelement oder Halterungselement handeln, in der die Durchgangsöffnungen angeordnet sind. Die Lüfterhaube kann kastenförmig ausgebildet sein. Die erste Durchgangsöffnung kann hierbei zentral in der Lüfterhaube vorgesehen sein. Die zumindest eine zweite Durchgangsöffnung kann zwischen der ersten Durchgangsöffnung und einem Rand der Lüfterhaube angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer vereinfachten Konstruktion der Lüftungsvorrichtung, da eine gemeinsame Lüfterhaube als Halterung für die Lüfter vorgesehen ist.
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Dabei kann der erste Lüfter in der ersten Durchgangsöffnung der Lüfterhaube angeordnet sein und der zumindest eine zweite Lüfter in der zumindest einen zweiten Durchgangsöffnung der Lüfterhaube angeordnet sein. Dies vereinfacht einen Aufbau der Lüftungsvorrichtung, wobei zum Beispiel die Lüfter bereits in der Lüfterhaube angeordnet sein können, bevor die Lüfterhaube im Fahrzeug verbaut wird. Es wird dabei auch die Trennung der Luftpfade für den ersten und den zumindest einen zweiten Lüfter verbessert, so dass keine Überdeckung der Luftpfade entsteht.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Lüftungsvorrichtung eine erste Lüfterhaube mit einer ersten Durchgangsöffnung für den ersten Luftpfad und eine zweite Lüfterhaube mit zumindest einer zweiten Durchgangsöffnung für den zweiten Luftpfad aufweisen, wobei der erste Lüfter in der ersten Durchgangsöffnung angeordnet ist und der zumindest eine zweite Lüfter in der zumindest einen zweiten Durchgangsöffnung angeordnet ist. Dabei können die erste Lüfterhaube und die zweite Lüfterhaube ausgebildet sein, um bezüglich einer Strömungsrichtung der Kühlluft auf der gleichen Seite oder auf unterschiedlichen Seiten des Kühlmoduls angeordnet zu sein. Dies erhöht eine Flexibilität bei der Konstruktion der Lüftungsvorrichtung sowie eine Anpassbarkeit an verschiedene geometrische Gegebenheiten des Vorbauortes im Fahrzeug.
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Auch können zumindest zwei zweite Lüfter und zumindest zwei Elektromotoren vorgesehen sein, wobei jedem der zumindest zwei zweiten Lüfter einer der zumindest zwei Elektromotoren zugeordnet ist. Bei den Elektromotoren kann es sich um bürstenlose Elektromotoren handeln. Es kann in jedem der zumindest zwei zweiten Lüfter ein eigener Elektromotor zugeordnet sein. Beispielsweise kann einem ersten der zumindest zwei zweiten Lüfter ein erster Elektromotor zugeordnet sein und kann einem zweiten der zumindest zwei zweiten Lüfter ein zweiter Elektromotor zugeordnet sein, etc. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer individuellen Ansteuerbarkeit der zweiten Lüfter. Dies verbessert eine Anwendbarkeit der Lüftungsvorrichtung auf unterschiedlichste geometrische Bedingungen am Verbauort im Fahrzeug und ermöglicht das Erzielen eines optimal daran angepassten Kühlluftstroms. Die Drehzahlen der mittels Elektromotoren angetriebenen Lüfter können beim Einsatz von bürstenlosen Systemen individuell geregelt werden. Dies bietet die Möglichkeit der Optimierung der Kühlluftverteilung im Bezug auf eine beispielsweise vorgegebene Geometrie der Lüfterhaube. Zudem kann dadurch die Geräuschemission der Lüfter minimiert werden, in Bezug auf sowohl einen Gesamtpegel also auch tonale Eigenschaften.
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Dabei können eine Drehungsebene des ersten Lüfters und eine Drehungsebene des zumindest einen zweiten Lüfters im Wesentlichen parallel zueinander sein. Die Drehungsebenen des ersten Lüfters und des zumindest einen zweiten Lüfters können innerhalb von Herstellungstoleranzen parallel zueinander sein. Dabei können die Drehungsebenen in getrennten, parallelen, beabstandeten Ebenen oder auch in einer gemeinsamen Ebene liegen. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass der Aufbau einer Lüfterhaube durch die Vermeidung von gewinkelter Geometrie vereinfacht ist. Dabei können die Lüfter so kombiniert werden, dass eine möglichst homogene Durchströmung des Kühlmoduls in verschiedenen Betriebszuständen erreicht werden kann. Dies trägt ebenfalls zur Reduzierung der Aufnahmeleistung des Lüftersystems und speziell des mittels der Antriebseinheit des Fahrzeugs angetriebenen, ersten Lüfters bei.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Lüftungsvorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bestimmen eines aktuellen Lastzustandes der Antriebseinheit zum Antreiben des Fahrzeugs;
Ansteuern der Kopplungseinheit, um eine Drehzahl des ersten Lüfters abhängig von dem aktuellen Lastzustand einzustellen; und
Ansteuern des zumindest einen Elektromotors, um eine Drehzahl des zumindest einen zweiten Lüfters abhängig von dem aktuellen Lastzustand einzustellen,
wobei die Drehzahlen des ersten Lüfters und des zumindest einen zweiten Lüfters bei einem Volllastzustand der Antriebseinheit so eingestellt werden, dass eine Menge der durch den ersten Lüfter bewegten Kühlluft größer ist als eine Menge der durch den zumindest einen zweiten Lüfter bewegten Kühlluft, und
wobei die Drehzahlen des ersten Lüfters und des zumindest einen zweiten Lüfters bei einem Teillastzustand der Antriebseinheit so eingestellt werden, dass eine Menge der durch den ersten Lüfter bewegten Kühlluft geringer ist als eine Menge der durch den zumindest einen zweiten Lüfter bewegten Kühlluft.
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Das obige Verfahren kann in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Lüftungsvorrichtung vorteilhaft eingesetzt beziehungsweise ausgeführt werden. Prinzipiell soll der erste Lüfter, der über die Kopplungseinheit Leistung von der Antriebseinheit des Fahrzeugs bezieht, die Vollastzustände abdecken, während die energetisch günstigen elektrisch betriebenen Lüfter in Teillastzuständen dominieren sollen. Der Teillastzustand kann bei reduzierter Motorlast aber auch bei hoher Fahrgeschwindigkeit vorliegen. Im Teillastbereich wird nur ein Teil des über die Lüftungsvorrichtung maximal erzielbaren Kühlluftstroms benötigt. Entsprechend kleine Lüfterdrehzahlen, die in Teillastzuständen ausreichend sind, basieren bei einer im NKW-Bereich häufig als Kopplungseinheit zum Lüfterantrieb verwendeten Flüssigkeitsreibungskupplung (Visco-Kupplung) prinzipbedingt auf einer hohen inneren Fluidreibung in Form von Schlupf, die als Verlustwärme an die Umgebung abgeführt werden muss. Die durch den Schlupf verursachte Leistungsaufnahme ist bei kleinen Lüfterdrehzahlen wesentlich höher, als die vom Lüfter umgesetzte aerodynamische Leistung. Um dem entgegenzuwirken, wird gemäß dem obigen Verfahren in Teillastzuständen der Kühlluftstrom verstärkt durch den oder die elektrische angetriebenen zweiten Lüfter bewirkt. Somit ergibt sich vorteilhaft ein Lüfterantrieb mit verbesserter energetischer Bilanz für diesen Einsatzbereich bei Teillast.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Kühlsystem für ein Fahrzeug, wobei das Kühlsystem folgende Merkmale aufweist:
ein Kühlmodul mit zumindest einem Wärmeübertrager zur Kühlung eines Fluidkreislaufs;
eine erfindungsgemäße Lüftungsvorrichtung zum Bewegen von Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch, wobei die Lüftungsvorrichtung benachbart zu dem Kühlmodul angeordnet ist; und
ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Lüftungsvorrichtung auszuführen.
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Das Steuergerät kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzusetzen. Insbesondere kann das Steuergerät Einrichtungen aufweisen, die ausgebildet sind, um je einen. Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das über geeignete Schnittstellen Sensorsignale empfängt und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Lüfterhaube in Strömungsrichtung der Kühlluft hinter dem Kühlmodul angeordnet sein. Somit ist hierbei eine gemeinsame Lüfterhaube für die Lüfter vorgesehen. Die Lüfter der Lüftungsvorrichtung sind hierbei ausgebildet, um Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch zu saugen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Aufbau der Lüftungsvorrichtung, und somit auch des Kühlsystems, durch die Anordnung der Lüfter in der gemeinsamen Lüfterhaube vereinfacht ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lüftungsvorrichtung eine erste Lüfterhaube und eine zweite Lüfterhaube aufweisen, wobei die erste Lüfterhaube in Strömungsrichtung der Kühlluft hinter dem Kühlmodul angeordnet ist und wobei die zweite Lüfterhaube in Strömungsrichtung der Kühlluft vor dem Kühlmodul angeordnet ist. Der zumindest eine, in der ersten Lüfterhaube angeordnete, erste Lüfter kann hierbei ausgebildet sein, um Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch zu drücken. Der in der zweiten Lüfterhaube angeordnete zweite Lüfter kann hierbei ausgebildet sein, um Kühlluft durch das Kühlmodul hindurch zu saugen. Die zweite Lüfterhaube kann aufgrund des beispielsweise über flexible Leitungen mit Energie versorgbaren elektrischen Antriebs des zumindest einen zweiten Lüfters auch an der kuhlluftmäßig stromaufwärts gelegenen Seite des Kühlmoduls verbaut werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine flexiblere Anpassung an unterschiedliche geometrische Bedingungen an einem Verbaubereich der Lüftungsvorrichtung bzw. des Kühlsystems in dem Fahrzeug durch die zweiteilige Ausführung der Lüfterhaube möglich ist.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit eine Minimierung der Lüfterleistungsaufnahme, und somit auch des Kraftstoffverbrauchs, durch eine optimierte Wirkungsgradkette für den Lüfterantrieb und ferner eine homogenere Kühlluftverteilung für verschiedene Betriebszustände. Gleichzeitig ergibt sich eine hohe Flexibilität zur Regelung des jeweils erforderlichen Kühlluftvolumenstroms. Im Hinblick auf eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs für Nutzfahrzeuge werden auch Betriebspunkte im Teillastbereich zunehmend relevant, z. B. wenn ein System zur Nutzung der Abgaswärme eingesetzt werden soll. Hier kann die Erfindung eine Minimierung der Leistungsaufnahme der Lüftungsvorrichtung zur Motorkühlung bei kleinen Lüfterdrehzahlen bewirken. Dies ergibt sich aus der Kombination des mittels der Antriebseinheit des Fahrzeugs angetriebenen, ersten Lüfters mit einem oder mehreren mittels Elektromotoren angetriebenen Lüftern. Dies gilt auch unter Berücksichtigung von für schwere NKW typischen Randbedingungen. Bevorzugt sollen bürstenlose Elektromotoren mit hohem elektrischen Wirkungsgrad verwendet werden. Selbst unter Einbeziehung eines typischen Generatorwirkungsgrades ergibt sich bei geringem Kühlluftbedarf eine deutliche effizientere Wirkungsgradkette als es beim Betrieb des ersten Lüfters beispielsweise über eine Viscokupplung der Fall wäre, die bei niedrigen Drehzahlen einen hohen Anteil an Schlupf aufweisen kann. Eine weitere energetische Verbesserung ergibt sich, wenn ein Hochvolt-Bordnetz zur Verfügung steht. Insgesamt ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung somit eine Reduzierung der Lüfterleistungsaufnahme speziell bei kleinen Lüfterdrehzahlen.
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Ein Vorteil einer Ausführungsform der beschriebenen Lüfteranordnung kann auch sein, dass die zur Kühlung benötigte Luftmenge reduziert werden kann, weil eine bessere Homogenität im Bezug auf die Durchströmung der Kühlerfläche erzielbar ist.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung eines Kühlsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Darstellung einer Lüftungsvorrichtung gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Darstellung eines Kühlsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Darstellung einer Lüftungsvorrichtung gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Leistung-Drehzahl-Diagramm; und
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6 eine Schnittdarstellung eines Kühlsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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7 eine Darstellung einer Lüftungsvorrichtung gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Kühlsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Kühlsystem 100, das ein Kühlmodul 110 mit einem Ladeluftkühler 112 sowie einem Kühlmittelkühler 114 und eine Lüftungsvorrichtung 120 aufweist, für ein Fahrzeug. Die Lüftungsvorrichtung 120 weist einen Viscolüfter 122, zwei Elektrolüfter 124 und eine Lüfterhaube 130 auf. Ferner ist ein Abschnitt einer Welle 140 gezeigt, die mit dem Viscolüfter 122 verbunden ist und beispielsweise einer Flüssigkeitsreibungskupplung bzw. Viscokupplung (nicht gezeigt) zugeordnet ist. Bei der Welle 140 kann es sich auch um die Kurbelwelle des Fahrzeugs handeln. Desweiteren ist in 1 mit einem Pfeil eine Strömungsrichtung 150 von Kühlluft dargestellt. Die Strömungsrichtung 150 der Kühlluft verläuft in der Darstellung von 1 von links nach rechts. In der Schnittdarstellung von 1 sind lediglich zwei Elektrolüfter 124 gezeigt, wobei klar sein sollte, dass die Lüftungsvorrichtung 120 eine größere Anzahl von Elektrolüftern 124 aufweisen kann. Ein Steuergerät des Kühlsystems 100 ist in 1 nicht dargestellt, kann aber in geeigneter Weise zum Beispiel mit den Elektrolüftern 124 und einer nicht gezeigten Viscokupplung verbunden sein.
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Das Kühlmodul 110 ist in der Strömungsrichtung 150 vor der Lüftungsvorrichtung 120 bzw. stromaufwärts bezüglich derselben angeordnet. Der Ladeluftkühler 112 sowie der Kühlmittelkühler 114 des Kühlmoduls 110 erstrecken sich in der Schnittdarstellung von 1 über eine gesamte Höhe des Kühlsystems 100. Der Ladeluftkühler 112 ist in Strömungsrichtung 150 der Kühlluft vor dem Kühlmittelkühler 114 angeordnet. Die Lüfterhaube 130 ist in Strömungsrichtung 150 der Kühlluft hinter dem Kühlmittelkühler 114 des Kühlmoduls 110 angeordnet. Die Lüfterhaube 130 erstreckt sich in der Schnittdarstellung von 1 über die gesamte Höhe des Kühlsystems 100. Somit durchströmt Kühlluft in Strömungsrichtung 150 zunächst den Ladeluftkühler 112, dann den Kühlmittelkühler 114 und schließlich die Lüfterhaube 130.
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In der Lüfterhaube 130 der Lüftungsvorrichtung 120 ist der Viscolüfter 122 ungefähr in der Mitte der Gesamthöhe des Kühlsystems 100 angeordnet. Einer der beiden gezeigten Elektrolüfter 124 ist in der Nähe eines oberen Rands der Lüfterhaube 130 angeordnet und der andere der beiden gezeigten Elektrolüfter 124 ist in der Nähe eines unteren Rands der Lüfterhaube 130 angeordnet. Somit ist der Viscolüfter 122 in vertikaler Richtung der Darstellung von 1 zwischen den beiden gezeigten Elektrolüftern 124 angeordnet. Jeweilige Drehungsebenen des Viscolüfters 122 sowie der Elektrolüfter 124 erstrecken sich in der Darstellung von 1 senkrecht bzw. vertikal. Die Drehungsebenen der Lüfter sind hierbei im Wesentlichen parallel zueinander. Jeweilige Drehachsen des Viscolüfters 122 sowie der Elektrolüfter 124 verlaufen somit waagerecht bzw. horizontal in der Darstellung von 1. Ein Durchmesser des Viscolüfters 122 beträgt hierbei in 1 mehr als das Doppelte eines Durchmessers eines der Elektrolüfter 124. Der Viscolüfter 122 ist von den Elektrolüftern 124, d. h. in der Darstellung von 1 vertikal, beabstandet. Zwischen dem Viscolüfter 122 und den Elektrolüftern 124 sind Abschnitte der Lüfterhaube 130 angeordnet.
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2 zeigt eine Darstellung einer Lüftungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Lüftungsvorrichtung entspricht der in 1 gezeigten Lüftungsvorrichtung 120. Die Lüftungsvorrichtung 120 weist einen Viscolüfter 122, sechs Elektrolüfter 124 und die Lüfterhaube 130 auf, in der eine erste Durchgangsöffnung 232 und sechs zweite Durchgangsöffnungen 234 angeordnet sind. Die Darstellung in 2 kann die Lüftungsvorrichtung 120 in einer anderen Perspektive zeigen. Die Lüftungsvorrichtung 120 ist hierbei bezogen auf 1 aus einer Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung 150 gezeigt.
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Der Viscolüfter 122 ist hierbei in der ersten Durchgangsöffnung 232 der Lüfterhaube 130 aufgenommen. Die sechs Elektrolüfter 124 sind in den sechs zweiten Durchgangsöffnungen 234 der Lüfterhaube 130 aufgenommen. Die Lüfterhaube 130 weist einen rechteckigen Grundriss auf. Die erste Durchgangsöffnung 232 Ist kreisförmig und in dem rechteckigen Grundriss der Lüfterhaube 130 mittig angeordnet. Drei der zweiten Durchgangsöffnungen 234 sind in 2 in einer Reihe entlang einem oberen Rand der Lüfterhaube 130 angeordnet. Die anderen drei der zweiten Durchgangsöffnungen 234 sind in 2 in einer Reihe entlang einem unteren Rand der Lüfterhaube 130 angeordnet. Somit ist die erste Durchgangsöffnung 232, in der der Viscolüfter 122 aufgenommen ist, zwischen der oberen Reihe und der unteren Reihe der zweiten Durchgangsöffnungen 234, in denen die Elektrolüfter 124 aufgenommen sind, angeordnet.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird der Aufbau gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nochmals zusammenfassend er läutert. Der Viscolüfter 122 ist mittig auf Höhe der Kurbelwelle 140 angeordnet, wobei der Antrieb direkt über die Kurbelwelle oder über einen Kurbelwellenhochtrieb erfolgen kann. Das Kühlmodul 110 besteht aus vollflächigen Wärmeübertragern 112 und 114, die in der Strömungsrichtung 150 direkt hintereinander angeordnet sind. Beispielsweise sind der Ladeluftkühler 112 und der Kühlmittelkühler 114 ein einer ”Sandwich” genannten Konfiguration angeordnet. Es empfiehlt sich die Platzierung mehrerer kleiner Elektrolüfter 124 oberhalb und unterhalb des Viscolüfters 122. Die Elektrolüfter 124 sind bevorzugt saugend ausgeführt, können aber – abweichend von der Darstellung in den 1 und 2 – auch prinzipiell als drückende Lüfter in der Strömungsrichtung 150 vor dem Kühlmodul 110 angebracht werden. In dem Teillastzustand arbeiten zunächst nur die Elektrolüfter 124. Bei höherem Kühlluftbedarf schaltet der Viscolüfter 122 zu. Im Übergangsbereich kann der Betrieb aller Lüfter 122 und 124 sinnvoll sein, da die Elektrolüfter 124 zu einer homogeneren Durchströmung des Kühlmoduls 110 beitragen und die Leistungsaufnahme des Viscolüfters 122 etwas reduziert werden kann.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Kühlsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 3 gezeigte Kühlsystem entspricht weitgehend dem in 1 gezeigten Kühlsystem, so dass an dieser Stelle hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den Kühlsystemen eingegangen wird. Gezeigt ist ein Kühlsystem 300 für ein Fahrzeug, das ein Kühlmodul 310 mit einem Ladeluftkühler 312, einem Niedertemperaturkühler 313 sowie einem Kühlmittelkühler 314 und eine Lüftungsvorrichtung 320 aufweist. Die Lüftungsvorrichtung 120 weist einen Viscolüfter 322, einen Elektrolüfter 324 und eine Lüfterhaube 330 auf. Ferner ist ein Abschnitt einer Welle 340 gezeigt, die mit dem Viscolüfter 322 verbunden ist und beispielsweise einer Flüssigkeitsreibungskupplung bzw. Viscokupplung (nicht gezeigt) zugeordnet ist. Bei der Welle 340 kann es sich auch um die Kurbelwelle des Fahrzeugs handeln. Desweiteren ist in 1 mit zwei Pfeilen eine Strömungsrichtung 350 von Kühlluft dargestellt. Die Strömungsrichtung 350 der Kühlluft verläuft in der Darstellung von 3 von links nach rechts. In der Schnittdarstellung von 3 ist lediglich ein Elektrolüfter 324 gezeigt, wobei klar sein sollte, dass die Lüftungsvorrichtung 320 eine größere Anzahl von Elektrolüftern 324 aufweisen kann.
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Das Kühlmodul 310 weist zusätzlich zu dem Ladeluftkühler 312 und dem Kühlmittelkühler 314 den Niedertemperaturkühler 313 auf. Der Ladeluftkühler 312 erstreckt sich über etwa die halbe Höhe des Kühlsystems 300. Der Niedertemperaturkühler 313 erstreckt sich über ungefähr die halbe Höhe des Kühlsystems 300. Der Ladeluftkühler 312 ist über dem Niedertemperaturkühler 313 angeordnet Die Lüftungsvorrichtung weist im unteren Drittel ihrer Höhe den Elektrolüfter 324 auf und weist in den oberen zwei Dritteln ihrer Höhe den Viscolüfter 322 auf. Der Viscolüfter 322 ist somit in Hochlage angeordnet. Ein Großteil des Durchmessers des Viscolüfters 322 befindet sich in Strömungsrichtung 350 hinter dem Ladeluftkühler 312 und einem Abschnitt des Kühlmittelkühlers 314. Ein kleinerer Teil des Durchmessers des Viscolüfters 322 befindet sich in Strömungsrichtung 350 hinter dem Niedertemperaturkühler 313 und einem Abschnitt des Kühlmittelkühlers 314. Der Elektrolüfter 324 ist in Strömungsrichtung 350 hinter dem Niedertemperaturkühler 313 und Abschnitt des Kühlmittelkühlers 314 angeordnet.
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4 zeigt eine Darstellung einer Lüftungsvorrichtung gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung in 4 entspricht weitgehend der Darstellung in 2, so dass an dieser Stelle hauptsächlich auf die Unterschiede zwischen den Lüftungsvorrichtungen eingegangen wird. Insofern gelten Aussagen bezüglich 2 auch bezüglich 4, wenn es nicht anders angegeben ist. Gezeigt ist die Lüftungsvorrichtung 320 aus 3. Die Lüftungsvorrichtung 320 weist einen Viscolüfter 322, zwei Elektrolüfter 324 und die Lüfterhaube 330 auf, in der eine erste Durchgangsöffnung 432 und zwei zweite Durchgangsöffnungen 434 angeordnet sind. Die Darstellung in 4 kann die Lüftungsvorrichtung 320 in einer anderen Perspektive zeigen. Die. Lüftungsvorrichtung 320 ist hierbei bezogen auf 1 aus einer Blickrichtung entgegen der Strömungsrichtung 350 gezeigt.
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Die erste Durchgangsöffnung 432, in welcher der Viscolüfter 322 aufgenommen ist, ist in den oberen zwei Dritteln der Lüfterhaube 330 angeordnet. Die beiden zweiten Durchgangsöffnungen 434, in denen die Elektrolüfter 324 aufgenommen sind, sind nebeneinander entlang eines unteren Rands der Lüfterhaube 330 in deren unterem Drittel angeordnet. Zwei parallel und horizontal verlaufende Linien auf halber Höhe der Lüftungsvorrichtung 320 in 4 symbolisieren eine Lücke zwischen dem Ladeluftkühler und dem Niedertemperaturkühler des Kühlmoduls aus 3.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 4 wird der Aufbau gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nochmals zusammenfassend erläutert. Der Viscolüfter 322 wird mit Hilfe eines Riementriebs ins Schnelle übersetzt und ist auf einem Lagerbock in Hochlage angeordnet. Das Kühlmodul 310 besteht aus z. B. einem vollflächigen Kühlmittelkühler 314 und zwei kleineren Wärmeübertragern 312, 313, die übereinander vor dem Kühlmittelkühler 314 angeordnet sind, d. h. der Ladeluftkühler 312 und der Niedertemperaturkühler 313. Eine solche Konfiguration ist als ”Side by side” (Seite an Seite) bekannt. Bei dieser Konfiguration liegt die Aufteilung in zwei Hauptluftpfade nahe, Es ergibt sich eine optimale Staudrucknutzung für den unten liegenden Niedertemperaturkühler 313 bei Schnellfahrt, d. h. Teillast, sowie eine optimale Beaufschlagung des oben liegenden Ladeluftkühlers 312 und des Kühlmittelkühlers 314 bei voller Lüfterzuschaltung, d. h. Volllast. Dazu ist es sinnvoll, mehrere Elektrolüfter 324 im unteren Bereich der Lüftungsvorrichtung 320 anzuordnen. Es ist auch hier eine saugende Anordnung der Elektrolüfter 324 dargestellt. Die Strategie für die Zuschaltung der verschiedenen Lüfter kann ähnlich wie bei dem in 1 und 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgen.
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5 zeigt exemplarisch ein Leistung-Drehzahl-Diagramm 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. An der Abszissenachse ist eine Lüfterdrehzahl in Umdrehungen pro Minute [U/min] aufgetragen. An der Ordinatenachse ist eine Leistung in Kilowatt [kW] aufgetragen. Eine Kurve 510 gestellt einen Verlauf einer Leistung eines Lüfters dar. Bei dem Lüfter kann es sich um den Viscolüfter aus den 1 bis 4 handeln. Eine Kurve 520 stellt einen Verlauf einer Leistung einer Kupplung dar. Bei der Kupplung kann es sich um eine Viscokupplung handeln, die zum Antrieb des Vicolüfters mit dem Viscolüfter verbunden ist. Eine Kurve 530 stellt einen Verlauf einer Gesamtleistung dar. Daraus wird ersichtlich, dass bei niedrigen Lüfterdrehzahlen der Schlupf der Viscokupplung die Gesamtleistungsaufnahme dominiert.
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Es ist anzumerken, dass zusätzlich zu einer Wellenleistung des Lüfters weitere Verlustleistungen anfallen: Hinsichtlich der Viscokupplung gilt Pkupplung = MLüfter(ωRiemenscheibe – ωLüfter), wobei hier zum Beispiel eine Motordrehzahl nMotor = 1335 U/min und eine Drehzahl eine Riemenscheibe nRiemenscheibe = 1562 U/min angenommen wurden und beispielsweise als Lüfter das Modell DML725-KSR von Behr verwendet wurde. Ferner hinsichtlich des Riementriebs mit einem Mechanische Wirkungsgrad von ~98%. Desweiteren hinsichtlich der Lichtmaschine mit einem Wirkungsgrad mechanisch-elektrisch von ~70%. Sowie auch hinsichtlich eines bürstenlosen Elektromotors (BLDC-Motor; BLDC = brushless direct current) mit einem Wirkungsgrad von ~80%. Schließlich auch hinsichtlich eines Hochvolt-Systems, wie beispielsweise in einem Hybridfahrzeug, mit einem Wirkungsgrad mechanisch-elektrisch von ~90%.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Generell ist auch eine Kombination der in den Figuren dargestellten Lüftungsvorrichtungen 120, 320 bzw. Kühlsysteme 100, 300 mit Klappen oder Jalousien denkbar, die in die Lüfterhaube 130, 330 integriert werden können. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Luftstrompfade der Lüfter mit elektromotorischem Antrieb durch eine Kühlluftversperrung mittels Klappen oder Jalousien gesteuert öffenbar oder verschließbar gestaltet sind. Dies kann im Betriebszustand der vollen Zuschaltung des Viscolüfters dazu genutzt werden, den Luftstrompfad durch den elektromotorisch angetriebenen Lüfter zu verschließen, um Leckage und Rezirkulation von heißer Luft zu vermeiden.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Kühlsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Kühlsystem 600, das ein Kühlmodul 610 mit einem Ladeluftkühler 612 sowie einem Kühlmittelkühler 614 und eine Lüftungsvorrichtung 620 aufweist, für ein Fahrzeug. Die Lüftungsvorrichtung 620 weist einen Viscolüfter 622, vier Elektrolüfter 624 und eine Lüfterhaube 630 auf. Ferner ist ein Abschnitt einer Welle 640 gezeigt, die mit dem Viscolüfter 622 verbunden ist und beispielsweise einer Flüssigkeitsreibungskupplung bzw. Viscokupplung (nicht gezeigt) zugeordnet ist. Bei der Welle 640 kann es sich auch um die Kurbelwelle des Fahrzeugs handeln. Desweiteren ist in 6 mit einem Pfeil eine Stromungsrichtung 650 von Kühlluft dargestellt, Die Strömungsrichtung 650 der Kühlluft verläuft in der Darstellung von 6 von links nach rechts. In der Schnittdarstellung von 6 sind lediglich zwei Elektrolüfter 624 gezeigt, wobei klar sein sollte, dass die Lüftungsvorrichtung 620 auch vier oder mehr Elektrolüftern 624 aufweisen kann, siehe 7. Ein Steuergerät des Kühlsystems ist nicht dargestellt, kann aber in geeigneter Weise zum Beispiel mit den Elektrolüftern und einer nicht gezeigten Viscokupplung verbunden sein.
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Weiterhin schematisch angedeutet sind mit 650 die Klappen bzw. Jalousien zur Kühlluftstromsteuerung durch die Elektrolüfter, so dass zumindest ein zweiter Luftpfad des zumindest einen zweiten Lüfters mittels einer Kühlluftversperrung insbesondere mittels Klappen oder Jalousien gesteuert öffenbar oder verschließbar ist. Dementsprechend kann zumindest ein Luftpfad der Mehrzahl der gezeigten Luftpfade steuerbar geöffnet bzw. geschlossen werden. Vorteilhaft können auch alle gezeigten Luftpfade steuerbar geöffnet bzw. geschlossen werden. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Steuerung der jeweiligen Luftpfade durch die Elektrolüfter gleichzeitig steuerbar geöffnet bzw. geschlossen werden oder alternativ dazu können die Luftpfade der einzelnen Elektrolüfter auch individuell verschieden angesteuert geöffnet oder geschlossen werden.
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7 zeigt eine Darstellung einer Lüftungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Lüftungsvorrichtung entspricht der in 6 gezeigten Lüftungsvorrichtung 620. In der Lüfterhaube 630 der Lüftungsvorrichtung 620 ist der Viscolüfter 622 etwa in der Mitte der Gesamthöhe des Kühlsystems 600 angeordnet. Die Elektrolüfter 624 sind in den Ecken der Lüfterhaube angeordnet. In dieser Anordnung, wie auch schon in der Anordnung der 2, kann der Viscolüfter wiederum vom Durchmesser betrachtet kleiner ausgelegt werden, was auch seine Leistungsaufnahme reduziert, weil durch die Anordnung der Elektrolüfter in den Ecken der Lüfterhaube eine gleichmäßigere Durchströmung der Wärmeübertrager erreicht wird.
