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Die Erfindung betrifft eine Windleiteinrichtung für einen Lastkraftwagen sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Windleiteinrichtung.
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Der aerodynamische Widerstand eines Lastkraftwagens, welcher auch als Luftwiderstand oder Strömungswiderstand bezeichnet werden kann, hat einen erheblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch während der Fahrt, insbesondere da der Luftwiderstand mit steigender Fahrgeschwindigkeit quadratisch zunimmt. Lastkraftwagen haben, insbesondere aufgrund von gesetzlichen Vorschriften, eine große Stirnfläche. Somit trifft Fahrtwind oft senkrecht oder nahezu rechtwinklig auf die Fahrzeugfront auf, was in einem besonders hohen aerodynamischen Widerstandsbeiwert resultiert. Da Lastkraftwagen, besonders solche mit Zugmaschine mit Sattelauflieger, welche auch als Sattelzug oder Trucks mit Trailer bezeichnet werden, meist über längere Distanzen auf Autobahnen mit der maximal zulässigen Höchstgeschwindigkeit genutzt werden, gibt es erhebliche Anstrengungen, optimierte Aerodynamiklösungen für diesen Geschwindigkeitsbereich zu entwickeln.
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Konstruktiv wird bereits seit langer Zeit versucht, beispielsweise mit aerodynamisch optimierten Fahrerhäusern und Dachspoilern eine Verbesserung des aerodynamischen Widerstands, welcher auch in Form des Luftwiderstandsbeiwerts bestimmt wird, zu erzielen.
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Aerodynamischen Optimierungen von Lastkraftwagen steht dabei die Tatsache im Weg, dass der Zweck eines Lastkraftwagens der Transport von Gütern ist. Es ist immer auch Ziel einer Lastkraftwagenkonstruktion, möglichst viel Ladevolumen zu realisieren. Bedingt durch dieses Ziel einer maximalen Ladekapazität und gesetzliche Vorschriften ist eine aerodynamische Optimierung von Lastkraftwagen besonders schwierig; es ist insbesondere immer mit einer großen Angriffsfläche für den Luftwiderstand, insbesondere in Form der Stirnfläche, zu rechnen.
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Gemeinsames Ziel aller aerodynamischen Verbesserungen von Lastkraftwagen ist es, den Verbrauch an Energie beim Fahren zu reduzieren. Bei Lastkraftwagen mit Verbrennungsmotoren bewirkt eine Verbrauchsreduzierung eine Reduktion des konventionellen Treibstoffverbrauchs wie beispielsweise Dieselkraftstoff. Alternativ verringert sich beispielsweise bei Hybridfahrzeugen der elektrische Energieverbrauch. Bei Lastkraftwagen mit Brennstoffzellen kann entsprechend der Wasserstoffverbrauch reduziert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windleiteinrichtung sowie ein Verfahren zu dessen Betreibung zu schaffen, mit welchen der Verbrauch des Lastkraftwagens an Energie zu reduzieren ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Windleiteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Windleiteinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Windleiteinrichtung für einen Lastkraftwagen zu schaffen, mittels welcher der Verbrauch des Lastkraftwagens an Energie besonders reduziert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Windleiteinrichtung mit einem wenigstens einen Eintritt und einen in Vorwärtsfahrtrichtung dahinter angeordneten Austritt aufweisenden Luftkanal versehen ist, welcher von einem durch Fahrtwind erzeugten Luftstrom durchströmbar ist, durch welchen der aerodynamische Widerstand insbesondere eines Aufbaus des Lastkraftwagens reduzierbar ist. Somit wird erfindungsgemäß mittels des Luftkanals ein infolge des Fahrtwinds erzeugter Luftstrom entsprechend geführt und am luftkanalseitigen Austritt dazu benutzt, Luft aus dem Frontbereich des Fahrzeugs zur Reduzierung von Luftverwirbelungen an und/oder entlang des Aufbaus, insbesondere des eines Anhängers des Lastkraftwagens, zu verwenden, wodurch der aerodynamische Widerstand und damit auch der Verbrauch während der Fahrt sinkt.
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Mittels des Luftkanals kann außerdem eine aerodynamisch wirksame Stirnfläche des Lastkraftwagens verkleinert werden, beispielsweise indem Fahrtwind, der sonst auf eine geschlossene Stirnfläche des Lastkraftwagens trifft, durch den Luftkanal, welcher auch als Luftführungskanal bezeichnet werden kann, geleitet wird. Der mittels des Luftkanals gezielt zum Austritt geführte und entsprechend ausgerichtete, austretende Luftstrom wird dann zur Verbesserung der Aerodynamik insbesondere im Übergangsbereich verschiedener Aufbauten wie beispielsweise dem Übergang vom Fahrerhaus zum Anhängeraufbau oder dem Übergang zwischen den Aufbauten des Zugfahrzeugs und eines Trailers genutzt. Einer Grenzschicht einer Luftströmung kann dort neue Energie zugeführt werden, was ebenfalls den aerodynamischen Widerstand senkt und damit den Verbrauch reduziert. Insbesondere kann durch Zuführen von Energie in die Grenzschicht ein Ablösen der Strömung verhindert werden und/oder eine laminare Strömung erzeugt und/oder länger aufrechterhalten werden. Auch Luftverwirbelungen, beispielsweise in den beschriebenen Übergangsbereichen, können so minimiert werden.
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Der Luftkanal sollte dabei möglichst gradlinig zwischen Eintritt und Austritt verlaufen, um nicht zusätzlichen Widerstand durch Strömungsverluste, insbesondere durch Reibung und Umlenkung, zu verursachen. Auslegungspunkt für die Gestaltung des Luftkanals und auch der Windleiteinrichtung sollte vorzugsweise die zulässige Höchstgeschwindigkeit des Lastkraftwagens sein. Üblicherweise fahren Lastkraftwagen so schnell, wie dies gesetzlich erlaubt ist. Gleichzeitig ist diese Höchstgeschwindigkeit auch die Geschwindigkeit, bei welcher der aerodynamische Widerstand den höchsten Einfluss auf den Verbrauch hat. Auf deutschen Autobahnen gilt beispielsweise eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h für Lastkraftwagen ab 7,5 t zulässigem Gesamtgewicht.
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Der Austritt kann als Düse gestaltet werden, sodass die Geschwindigkeit des Luftstroms am Austritt erhöht ist. Damit kann einer Grenzschicht besonders gut Energie zugeführt werden, Verwirbelungen besonders reduziert werden und Luftströme besonders gut umgeleitet werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Eintritt des Luftkanals in der Front des Lastkraftwagens und/oder in einem Dachspoiler angeordnet ist und der Austritt seitlich und/oder oben an der Hinterkante eines Fahrerhauses angeordnet ist. Dadurch kann besonders gut die effektiv wirkende Stirnfläche, auf welche der Fahrtwind weitestgehend frontal auftrifft, reduziert werden.
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In der Regel sind viele Lastkraftwagen mit einem Dachspoiler ausgestattet, da der Anhänger oder der gesamte Aufbau höher ist als das Fahrerhaus alleine. Der Dachspoiler dient in diesem Fall als aerodynamisches Hilfsmittel zur Verbrauchsreduzierung, indem er die Strömung umlenkt. Frontseitig ist solch ein Dachspoiler im unteren Bereich noch relativ steil aufragend und flacht sich dann zunehmend ab. Im Frontbereich muss zudem durch die Fahrzeugbewegung und die große Stirnfläche viel Luft verdrängt werden, insbesondere auch wegen der Windschutzscheibe, die keine Luftdurchströmung zulässt. Aus diesem Grund bietet sich insbesondere eine Luftentnahme über einen Eintritt im Dachspoiler ein. Hier liegt nämlich ein besonders hoher Staudruck vor. Zudem ist eine gradlinige Anbindung des Luftkanals an den Austritt, angeordnet beispielsweise an einem seitlichen Luftleitelement oder am stromabwärts liegenden Ende des Dachspoilers, besonders leicht zu bewerkstelligen. Damit liegt gegebenenfalls eine höhere Luftgeschwindigkeit am Austritt vor, als bei einem Kanal, dessen Eintritt in der Front des Lastkraftwagens angeordnet ist.
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Durch die Verwendung seitlicher Luftleitelemente an den Seiten des Fahrerhauses oder einer Fahrerkabine und durch den Einsatz von Dachspoiler wird konstruktiv versucht, die sogenannte Übergangsspaltöffnung vom Fahrerhaus zum Anhänger und/oder Aufbau hin zu minimieren. Durch die Verdrängung der anströmenden Luftmasse aus einem Frontbereich des Lastkraftwagens entsteht rund um das Fahrzeug ein Überdruck, speziell im Vorderbereich. Diese verdichtete Luft ist bestrebt, sich durch Expansion zu entspannen. Dadurch tritt diese Luftmasse zumindest teilweise in den Übergangsspalt ein, sodass diese vom nachfolgenden Anhänger stark verwirbelt wird, womit zusätzlicher Widerstand erzeugt wird. Durch den aus dem Austritt austretenden Luftstrom kann dieser Effekt besonders stark reduziert oder sogar komplett verhindert werden. Dagegen ist ein komplettes Verschließen der Übergangsspaltöffnung mit mechanischen Elementen aufgrund von wechselnden Anhängern mit abweichenden Maßen und vor allem durch eine Verschwenkung von Fahrerhaus und Anhänger bei Kurvenfahrt oder beim Rangieren nicht möglich oder wenigstens wesentlich aufwendiger.
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Es ist auch sinnvoll, einen Austritt im Dachbereich des Fahrerhauses, insbesondere an der Oberkante des Dachspoilers, vorzusehen, da hier ebenfalls Verwirbelung an einer Übergangsspaltöffnung zum Anhänger entstehen. Auch wenn dieser Übergangsspalt in Form eines Zwischenraums bedeutend kleiner sein kann als an den Seiten und zudem die Luftströmung durch den Dachspoiler besonders gut über diesen Bereich hinweg geleitet wird, kann durch den austretende Luftstrom zumindest die Grenzschicht weiterhin positiv beeinflusst werden, sodass es zu einer aerodynamischen Widerstandsverringerung kommt. Gerade im Dachspoiler ist die Nachrüstung einer solchen Windleiteinrichtung zudem besonders einfach möglich. Außerdem ist die Integration in den Lastkraftwagen hier besonders kostengünstig möglich.
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Insgesamt kann der Eintritt besonders gut konstruktiv und aerodynamisch in den Dachspoiler oder die Front, beispielsweise am Kühlergrill, integriert werden. Der Austritt seitlich und/oder an der Hinterkante des Fahrerhauses ermöglicht es insbesondere, den Luftstrom um den Lastkraftwagen, hervorgerufen vom Fahrtwind, um die Übergangsspaltöffnung zwischen Fahrerhaus und restlichem Aufbau, welche auch als Übergangsspalt oder Spalt bezeichnet wird, herumzuleiten.
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Der Austritt kann eine oder mehrere Öffnungen umfassen, welche teilweise oder über die gesamte Breite einer Hinterkante des Fahrerhauses verlaufen kann. Der Austritt kann beispielsweise als Düse, Schlitz oder schlitzförmige Düse ausgebildet sein und in seitlichen Luftleitelementen, welche auch als Windleitbleche bezeichnet werden, integriert sein.
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Generell ist es sinnvoll, den Austritt dort anzuordnen, wo die ausströmende Luft den aerodynamischen Widerstand besonders gut verringern kann. Beispielsweise kann der Austritt so angeordnet sein, dass der ausströmende Luftstrom die Grenzschicht des den Lastkraftwagen umströmenden Luftstroms von diesem ablöst und so Grenzschichtverwirbelung insbesondere in Übergangsbereichen deutlich reduziert werden. Dieser Effekt ist ähnlich zu dem von sogenannten Golfball-Dimples, eine Vertiefung in der Oberfläche eines Golfballs. Durch eine Rotation des Golfballs entstehen in Verbindung mit diesen sogenannten Dimples kleine Verwirbelungen unmittelbar an seiner Oberfläche, was zu einer vorteilhaften Grenzschichtbeeinflussung des den Golfball umströmenden Luftstromes führt. Damit wird der aerodynamische Widerstand des Golfballs reduziert und er kann weiter fliegen. Der gleiche oder ein ähnlicher Effekt kann auch den aerodynamischen Widerstand eines Lastkraftwagens reduzieren und damit den Verbrauch verringern.
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Durch ein Ausblasen der frontseitig eingeströmten Luft an der Seite der Fahrerkabine kann vorzugsweise eine flächige Grenzschichtablösung des seitlich an der Fahrerkabine vorbeiströmenden Luftstroms bewirkt werden. Dadurch werden Verwirbelungen, welche den aerodynamischen Widerstand des Lastkraftwagens erhöhen, möglichst über die gesamte Länge und/oder Breite der Luftströmung beispielsweise im Übergangsbereich zum Anhänger hin besonders stark reduziert. Dieser Effekt kann durch weitere aerodynamische Komponenten verstärkt werden.
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Wie bereits erwähnt, soll der Luftkanal möglichst gradlinig zwischen Eintritt und Austritt verlaufen. Dies steht dem Wunsch entgegen, den Austritt über die gesamte Hinterkante der Fahrerkabine verlaufen zu lassen. Erst dadurch ist eine besonders hohe Widerstandsreduktion möglich. Entsprechend kann es besonders sinnvoll sein, eine Vielzahl von Luftkanälen vorzusehen. Der obere Bereich der Hinterkante der Fahrerkabine umfasst dann einen Austritt, welcher über einen Luftkanal mit einem Eintritt an der Oberseite der Front der Fahrerkabine verbunden ist, beispielsweise im Dachspoiler. Die seitlichen Bereiche können beispielsweise über ein oder mehrere Eintritte in der Front der Fahrerkabine versorgt werden. Dabei kann auch ein Luftstrom, welcher beispielsweise vorher zur Wasserkühlung der Klimaanlage oder zur Kühlung des Motors genutzt wurde, genutzt werden.
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Es ist also prinzipiell auch möglich, eine Kühlluft aus dem Motorraum in einen oder mehrere Luftkanäle zu leiten und ebenfalls schräg an der Hinterkante des Fahrerhauses auszublasen, um dadurch für weniger Verwirbelung im Übergangsbereich zum Anhänger zu sorgen. Ein Luftstrom wird beim Durchströmen von weiteren Bauteilen wie der Motorkühlung aber abgebremst. Zusätzlich ist der Luftkanal so verlängert, sodass Reibung die Geschwindigkeit des Luftstroms nochmals reduziert. Problematisch an der Nutzung der Motorkühlluft ist also eine notwenige komplexe Luftkanalführung und das der Luftstrom bereits bei der Kühlung des Motors verlangsamt wird. Entsprechend ist der Effekt der Widerstandsreduktion durch den austretenden Luftstrom mittels beispielsweise der Grenzschichtbeeinflussung reduziert.
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Durch Fortschritte bei der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren ist es ebenfalls möglich, alternativ oder zusätzlich Abgase teilweise oder vollständig dem Luftkanal zuzuleiten. Auf diese Weise kann die kinetische Energie eines Abgasstroms genutzt werden. Eine nur partielle Ausleitung des Abgasstromes über die eine oder mehrere Austritte ist, soweit gesetzlich zulässig und technisch mit vertretbarem Aufwand realisierbar, ebenfalls möglich. Problematisch bei der Nutzung der Abgase ist allerdings deren Temperatur, die besondere Anforderungen an den Luftkanal hinsichtlich der Materialauswahl stellen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Eintritt unter dem Aufbau nahe am Heck des Lastkraftwagens vor einem Unterfahrschutz angeordnet ist und der Austritt am Heck angeordnet ist. Bei einem fahrenden Kraftfahrzeug, wie einem Lastkraftwagen, bildet sich im Frontbereich ein Überdruck, dagegen entsteht unmittelbar hinter einem Heckbereich ein Unterdruckbereich, welcher den Lastkraftwagen entgegen der Fahrtrichtung nach hinten zieht. Mit anderen Worten wirkt durch den Unterdruckbereich, welcher auch als Totwasser oder Totwasserzone bezeichnet wird, eine Kraft entgegen der Fahrtrichtung auf den Lastkraftwagen. Bei einem Lastkraftwagen ist dieser Bereich durch den großen Querschnitt und das rechtwinklige Fahrzeugende stark ausgeprägt. Eine solche Gestaltung ist notwendig, da erstens die maximal zulässige Fahrzeuglänge begrenzt ist und zweitens die Ladekapazität maximiert werden soll, während gleichzeitig ein Laderaum über den Heckbereich gut zugänglich sein soll. Dadurch ist es nur besonders aufwendig oder gar nicht möglich, den Unterdruckbereich am Heck durch eine konstruktive Gestaltung des Anhängers sinnvoll zu verringern. Durch den Austritt am Heck des Lastkraftwagens kann der Luftstrom allerdings direkt in diesen Unterdruckbereich einströmen. Dadurch wird der Druck in diesem Bereich erhöht, was in einem besonders reduzierten aerodynamischen Widerstand resultiert.
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In vielen Fällen ist es gesetzlich vorgeschrieben an Lastkraftwagen, insbesondere bei Lastkraftwagen mit Anhänger, im Heckbereich einem Unterfahrschutz für Personenkraftwagen vorzusehen. Dieser Unterfahrschutz soll verhindern, dass bei einem Auffahrunfall ein Personenkraftwagen mit seinem Frontteil, also mit seinem Vorderwagen und seinen Crashstrukturen unter der Ladefläche des Trailers durchfährt und ein Aufprall unmittelbar mit einer Fahrgastzelle erfolgt. Allerdings sorgt gerade dieser Unterfahrschutz für Verwirbelungen am Heckbereich. Zudem wird ein Luftstrom unter dem Anhänger vor dem Unterfahrschutz aufgestaut. Insgesamt bewirkt der Unterfahrschutz damit einen hohen zusätzlichen aerodynamischen Widerstand. Wenn der Eintritt unter dem Aufbau nah am Heck des Lastkraftwagens vor dem Unterfahrschutz angeordnet ist, kann der Luftkanal insbesondere eine Luftströmung aus dem Bereich vor dem Unterfahrschutz abzweigen und aus dem Unterbodenbereich an das Fahrzeugheck leiten. Dadurch wird dann nochmals zusätzlich der aerodynamische Widerstand gegenüber einer reinen Umleitung von Luftströmung in den Totwasserbereich reduziert, da der effektive Frontbereich des Unterfahrschutzes bezüglich des aerodynamischen Widerstands reduziert ist.
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Der Austritt in Form einer Ausblasöffnung ist beispielsweise im Bereich der Unterkante vom Heckende platziert, also unmittelbar nach dem Ende der Ladefläche. In vorteilhafter Weise kann er dabei nach oben oder schräg nach oben ausgerichtet sein, sodass der Luftstrom besonders gut in den Totwasserbereich am Heck zur Druckerhöhung einströmen kann. Durch den somit erhöhten Druck und damit reduzierten Druckunterschied zwischen Heckbereich und Umgebung des Lastkraftwagens werden auch dort besonders wenig Verwirbelungen erzeugt. Auch diese Ausführungsvariante ist in besonders vorteilhafter Weise mit aerodynamisch optimierten Heckbereichen kombinierbar.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heck des Lastkraftwagens eine Schutzvorrichtung umfasst und der Luftkanal aus wenigstens zwei teleskopisch ineinander schiebbaren Kanalelementen gebildet ist, welche zwischen einer Schutzstellung, in welcher das Kanalelement, an welchem sich der Austritt des Luftkanals befindet, sich entgegengesetzt der Vorwärtsfahrtrichtung höchstens genauso weit wie die Schutzvorrichtung erstreckt, und einer Betriebsstellung, verstellbar sind. In der Betriebsstellung kann der Austritt beispielsweise über die Schutzvorrichtung hinaus ragen, sodass der Austritt besonders nah am oder sogar im Totwasserbereich am Heck angeordnet ist und dort den Druck besonders gut erhöhen kann. Die Schutzvorrichtung ist beispielsweise als Stoßstange oder Gummipuffer ausgebildet, und verhindert eine Beschädigung des Austritts und der Luftkanalelemente beispielsweise bei der Beladung. Weiterhin kann die Schutzvorrichtung eine Beschädigung der Luftkanalelemente bei beispielsweise einer Kollision mit einer Rampe verhindern. Zu diesem Zweck können die Kanalelemente beispielsweise durch ein Federelement in der Betriebsstellung gehalten werden, sodass sie bei einer Belastung, beispielsweise eben durch die Kollision mit der Rampe, automatisch in die Schutzstellung verstellt werden.
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Aufgrund der derzeit gültigen maximalen zulässigen Fahrzeuglänge für Lastkraftwagen steht nur ein minimaler Platz in Fahrzeuglängsrichtung für den Austritt am Heck zur Verfügung. Allerdings kann dafür fast die gesamte Breite des Hecks genutzt werden, wodurch ein bedarfsgerecht geformter und ausgerichteter Austritt einer Ausblasöffnung oder eines Ausblasspitzes technisch realisierbar ist.
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Insbesondere die Windleiteinrichtung mit dem Eintritt unter dem Aufbau nah am Heck und dem Austritt ebenfalls am Heck ist besonders kostengünstig und kann mit einem besonders geringen Aufwand bereits bei bestehenden Lastkraftwagen nachgerüstet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im Luftkanal ein Ventilatorelement angeordnet ist, mittels welchem der den Luftkanal durchströmende Luftstrom beschleunigbar ist. Wie bereits erläutert, verliert der Luftstrom im Luftkanal an Geschwindigkeit und damit kinetischer Energie aufgrund von Reibung und durch Umlenkung. Dadurch wird die durch die Windleiteinrichtung erzielbare Verringerung des aerodynamischen Widerstandes reduziert. Durch ein Zuführen von Energie in den Luftstrom in Form einer Beschleunigung kann dieser Effekt ausgeglichen werden. Insbesondere wenn der Luftstrom am Austritt sogar schneller ist als der den Lastkraftwagen umgebende Luftstrom, kann der aerodynamische Widerstand des Lastkraftwagens besonders effektiv reduziert werden. Die erzielbare aerodynamische Widerstandsreduktion liegt dabei über dem zusätzlichen Energieverbrauch, welcher durch Betreiben des Ventilatorelements hervorgerufen wird. Neben der Erhöhung der Luftaustrittsgeschwindigkeit kann durch das Ventilatorelement auch eine teilweise Absaugung der, insbesondere in Form des Fahrtwinds, frontal auf die Fahrzeugfront auftretende Luftmasse bewirkt werden. Als weiterer Effekt wird die Grenzschichtströmung stromabwärts des Austritts entlang des Aufbaus beschleunigt, was ebenfalls den Widerstand reduziert. Dadurch ist die Gesamtenergiebilanz bei Nutzung eines Ventilatorelements besonders positiv.
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Es können ein oder mehrere Ventilatorelemente in einem Luftkanal vorgesehen werden. Eine notwendige Ventilatorleistung wird dadurch reduziert, dass eine entsprechende Luftströmung im Luftkanal aufgrund einer Fahrzeugbewegung bereits vorliegt. Bei einem aktivierten Ventilatorelement, welches auch als Lüftersystem bezeichnet werden kann, muss die durch die Luftführungskanäle strömende Luftmenge nicht aus dem Stillstand beschleunigt werden. Das Ventilatorelement muss dem Luftstrom also nur wenig Energie für eine besonders hohe aerodynamische Wirkung des austretenden Luftstroms zufügen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Kanal am Austritt als eine Chevron Nozzle ausgebildet. Eine Chevron Nozzle beschreibt im Wesentlichen eine gewellte Kante am Austritt, welche aus dem Flugzeugbau von Triebwerksgondeln bereits bekannt ist. Bei Flugzeugtriebwerken sind Chevron Nozzles normalerweise gezackte Abschlüsse an der Hinterkante der Triebwerksgondel beziehungsweise an der Triebwerksummantelung, welche das Zusammentreffen von kalter Umgebungsluft mit heißen und schnellen Abgasstrahlen entschärft. An der Grenzschicht werden die Druckunterschiede, unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturverhältnisse kontinuierlich statt plötzlich abgebaut. Dadurch wird besonders der Triebwerkslärm stark reduziert. Diese Lärmreduzierung wird zusätzlich durch Teilauslöschung per Interferenz verstärkt. Eine Anpassung auf die jeweiligen Einsatzbereiche erfolgt mittels Anzahl, Länge und Form der Zacken. Bei einem Lastkraftwagen ist die Wirkungsweise der Chevron Nozzles jedoch anders gelagert. Hier treffen Luftströmungen mit verschiedenen Richtungen aber annähernd gleicher Geschwindigkeit – oder im Vergleich zu Flugzeittriebwerken nur in engen Grenzen voneinander abweichenden Geschwindigkeits- und Temperaturunterschieden – aufeinander. Durch einen entsprechend ausgeformten Austritt des Luftkanals lässt sich der austretende Luftstrom am Austritt allerdings für ein besonders verwirbelungsarmes Aufeinandertreffen mit der den Lastkraftwagen umgebenden Luftströmung beeinflussen. Dadurch steht der Effekt der Widerstandsreduzierung erneut im Vordergrund, obwohl die Chevron Nozzles auch beim Lastkraftwagen eine Lärmreduzierung bewirken können.
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Es ist auch möglich, die Chevron Nozzles durch sogenannte Riblets, also eine parallel auf einer Oberfläche angeordnete Rillenstruktur, zu realisieren. Alternativ kann die Wirkung der Chevron Nozzle durch zusätzliche Riblets auf einer Oberfläche des Austritts verstärkt werden. Dadurch die Riblets wird die Querströmung im turbulenten Bereich einer Luftströmung und/oder einer Grenzschicht der Luftströmung reduziert. Dadurch kann beispielsweise der Austritt nicht nur den Luftstrom aus dem Luftkanal, sondern auch den Lastkraftwagen umgebenden Luftstrom, insbesondere durch außenseitig am Austritt angeordnete Riblets, beeinflussen. Riblets sind bereits aus der Bionik bekannt, beispielsweise als sogenannte Haifischhaut. Auch eine Realisierung als eine Aneinanderreihung feiner Zahnreihen ist möglich.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass am Austritt und/oder am Eintritt eine Klappeneinrichtung angeordnet ist, mittels welcher der Austritt und/oder der Eintritt wenigstens größtenteils verschließbar ist beziehungsweise sind. Das heißt die Klappeneinrichtung ist zwischen einer Offenstellung, in welcher der Austritt und/oder Eintritt freigegeben ist und einer Schließstellung, in welcher der Austritt und/oder Eintritt wenigstens größtenteils verschlossen ist, verstellbar. Damit kann insbesondere wenn die Windleiteinrichtung nicht genutzt wird verhindert werden, dass beispielsweise Wasser oder ein Fremdkörper in den Luftkanal eindringen und dort eine elektrische oder mechanische Störung, insbesondere am Ventilatorelement, hervorrufen. Auch vor weiteren Beschädigungen ist die Windleiteinrichtung so schätzbar, beispielsweise beim Beladen des Lastkraftwagens.
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Die Klappeneinrichtung kann auch dazu genutzt werden, den Eintritt und/oder Austritt und deren jeweilige Öffnung an eine Fahrzeuggeschwindigkeit variabel anzupassen. Dadurch kann der den Luftkanal durchströmende Luftstrom eingestellt werden. Insbesondere ist mittels der Klappeneinrichtung die Geometrie einer Düse veränderbar. Durch das Verstellen der Klappeneinrichtung und der daraus resultierenden veränderten Klappenöffnung kann zusätzlich der Austrittswinkel des Luftstroms verändert werden, sodass dadurch die aerodynamische Effizienz der Windleiteinrichtung erhöht werden kann. Die Klappeneinrichtung kann auch als Austritt selber ausgebildet sein. Dann ist es möglich, durch die geschlossene Klappeneinrichtung ein kollisionsfreies Öffnen des Heckbereichs des Lastkraftwagens, insbesondere einer Tür zum Beladen des Anhängers, zu ermöglichen.
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Um ein Verfahren zum Betreiben einer Windleiteinrichtung für einen Lastkraftwagen zu schaffen, mittels welchem der Verbrauch des Lastkraftwagens an Energie besonders reduziert ist, ist erfindungsgemäß eine Windleiteinrichtung mit wenigstens einem am Eintritt und einem in Vorwärtsfahrtrichtung dahinter angeordneten Austritt aufweisenden Luftkanal vorgesehen, welcher von einem durch Fahrtwind erzeugten Luftstrom durchströmbar ist, durch welchen der aerodynamische Widerstand insbesondere des Aufbaus des Lastkraftwagens reduzierbar ist, bei welchem der den Luftkanal durchströmende Luftstrom in Abhängigkeit eines Parameters mittels einer Stelleinrichtung eingestellt wird. Bei dem Parameter kann es sich beispielsweise um die Geschwindigkeit des Lastkraftwagens handeln, eine Luftstromgeschwindigkeit und/oder die einströmende Luftmenge in den Luftkanal. Insbesondere ist dieser Parameter mit einem Tachometer und/oder einem Luftstromgeschwindigkeitsmesser bestimmbar. Damit kann die Windleiteinrichtung in Abhängigkeit von Betriebsparametern wie beispielsweise einer eintretenden Luftmasse betrieben werden, sodass sie besonders effizient arbeitet und der aerodynamische Widerstand besonders gut reduziert werden kann.
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Alternativ kann die Windleiteinrichtung auch rein passiv ohne Einstellung in Abhängigkeit von dem Parameter betrieben werden. In diesem Fall ist sie zwar weniger effizient, dafür werden aber die Kosten für eine Stelleinrichtung und einen Sensor zum Bestimmen des Parameters eingespart.
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Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten und einem entsprechend geringen Fahrtwind spielt der Luftwiderstand beispielsweise noch keine dominierende Rolle am Fahrzeugverbrauch. Bei diesem Geschwindigkeitsbereich ist es vorteilhaft, eine Klappeneinrichtung, falls vorhanden, zu verschließen oder zumindest nur teilweise zu öffnen und/oder das Ventilatorelement, falls vorhanden, nicht zu aktivieren. Dadurch wird der Luftkanal aerodynamisch optimal eingestellt, gleichzeitig wird keine zusätzliche Energie zum Antreiben des Ventilatorelements beispielsweise in Form eines Lüfterrads benötigt. Dadurch wird der aerodynamische Widerstand reduziert, ohne dass zusätzliche Energie für das Betreiben des Ventilatorelements benötigt wird. Es kann somit eine insgesamt besonders gute Gesamtenergiebilanz erzielt werden. Das antriebslose Ventilatorelement erhöht zwar den inneren Widerstand im Luftkanal, der Einfluss ist aber gerade bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten vernachlässigbar.
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Bei höheren Fahrtgeschwindigkeiten mit mehr Fahrtwind kann beispielsweise die Klappeneinrichtung weiter geöffnet werden, um den Luftkanal durchströmenden Luftstrom entsprechend einzustellen. Ebenfalls kann das Ventilatorelement aktiviert werden. Durch das Einstellen des Luftstroms in Abhängigkeit des Parameters wird das Ventilatorelement nur bei solchen Fahrgeschwindigkeiten aktiviert, bei welchen dadurch die Gesamtenergiebilanz der Windleiteinrichtung und damit des Lastkraftwagens verbessert wird. Im Aktivierungsfall benötigt das Ventilatorelement beispielsweise elektrische Energie, was den spezifischen Verbrauch des Kraftfahrzeugs entweder durch den erhöhten Einsatz einer Lichtmaschine oder durch Nutzung von Akkus und Batterien oder dergleichen erhöht. Durch die gezielte Abschaltung des Ventilatorelements bei einem nichteffektiven Fahrgeschwindigkeitsbereich oder Geschwindigkeitsbereich der Luftströmung wird diese Energie eingespart. Durch die gezielte Zuschaltung des Ventilatorelements ab einem höheren Fahrgeschwindigkeitsbereich wird zwar einerseits diese zusätzliche Energie verbraucht, andererseits wird durch den verminderten aerodynamischen Widerstand Energie beim Antreiben des Lastkraftwagens eingespart, sodass die Gesamtenergiebilanz positiv ist.
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Insbesondere wenn die Geschwindigkeit der einströmenden Luftmenge in den Luftkanal gemessen wird, können Einflussfaktoren wie Rücken- oder Gegenwind für einen effizienzoptimierten Einsatz des Ventilatorelements mitberücksichtigt werden. Bei einem ausschließlichen Betreiben der Windleiteinrichtung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Lastkraftwagens kann der Luftstrom beispielsweise durch Steuern des Ventilatorelements weniger gut eingestellt werden. Dafür kann der bereits im Lastkraftwagen vorhandene Tacho zur Erfassung des Parameters genutzt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der Windleiteinrichtung ist es also vorgesehen, dass der den Luftkanal durchströmende Luftstrom mittels einer als Ventilatorelement ausgebildeten Stelleinrichtung eingestellt wird. Alternativ ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der den Luftkanal durchströmende Luftstrom mittels einer als Klappeneinrichtung ausgebildeten Stelleinrichtung eingestellt wird. Die Stelleinrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform sowohl das Ventilatorelement als auch die Klappeneinrichtung umfassen.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Windleiteinrichtung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren zum Betreiben der Windleiteinrichtung.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 Eine schematische Perspektivansicht einer Front eines Lastkraftwagens mit einer Windleiteinrichtung;
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2 eine Draufsicht auf den Lastkraftwagen mit der Windleiteinrichtung gemäß 1;
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3 eine weitere Draufsicht des Lastkraftwagens gemäß 2 mit einer anderen Schnittebene;
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4 eine schematische Seitenansicht eines Austritts eines Luftkanals der Windleiteinrichtung gemäß 1 bis 3;
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5 eine schematische Schnittansicht von oben auf den Austritt gemäß 4;
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6 eine schematische Seitenansicht des Lastkraftwagens gemäß 1 mit einer alternativen, am Heck angeordneten Windleiteinrichtung;
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7 eine Seitenansicht auf eine alternative Ausführungsform der Windleiteinrichtung am Heck des Lastkraftwagens gemäß 6; und
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8 eine schematische, seitliche Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform des Austritts der Windleiteinrichtung.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Lastkraftwagen 10 mit einer Zugmaschine 12, welche ein Fahrerhaus 14 umfasst und einen Anhänger 16 zum Transport von Ladung zieht. Der Anhänger 16 umfasst im gezeigten Fall den Aufbau 18 des Lastkraftwagens 10. Der Lastkraftwagen 10 bewegt sich vorwärts und wird aufgrund dieser Bewegung mit einem Fahrtwind 20 angeströmt. Der Fahrtwind 20 ist in 1 durch den mit 20 markierten Pfeil veranschaulicht. Wie zu erkennen ist, bildet das Fahrerhaus 14 eine im Wesentlichen senkrecht zu der Anströmrichtung des Fahrtwinds 20 stehende Fläche. Diese Fläche, welche auch als Stirnfläche bezeichnet wird, setzt sich im Wesentlichen aus einer Frontscheibe 22, einem Dachspoiler 24, einem Kühlergrill 26, einer Stoßstange 28 und zwei Scheinwerfern 30 zusammen. Die Stirnfläche ist für den besonders hohen aerodynamischen Widerstand – auch als Luftwiderstand bezeichnet – des Lastkraftwagens 10 während seiner Vorwärtsfahrt verantwortlich.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass zwischen der Zugmaschine 12 und dem Anhänger 16 ein Spalt 32 vorhanden ist. Durch die Verdrängung der Luft vor der Front des Lastkraftwagens 10 während der Vorwärtsbewegung entsteht in einem Luftstrom um den Lastkraftwagen 10 ein Überdruck. Dadurch strömt ein Teil dieses Luftstroms in diesen Spalt 32 ein und es entstehen Verwirbelungen, welche den aerodynamischen Widerstand des Lastkraftwagens 10 maßgeblich erhöhen können. Außerdem ist in 1 zu erkennen, dass ein Querschnitt des Anhängers 16 in Richtung des Fahrtwinds 20 größer ist als der Querschnitt der Zugmaschine 12. Mit anderen Worten ragt eine Kante des Anhängers 16 an der Seite und oben über die Kanten des Fahrerhauses 14 oder der Zugmaschine 12 hinaus. Auch hierdurch können weitere Verwirbelungen entstehen. Die zusätzliche, dem Anhänger 16 zugeordnete Stirnfläche erhöht den aerodynamischen Widerstand ebenfalls.
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Zur Reduzierung des aerodynamischen Widerstands sind Luftleitelemente 34 in Form von Luftleitblechen an den seitlichen, insbesondere vertikalen Hinterkanten des Fahrerhauses 14 vorgesehen. Diese Luftleitelemente 34 verkleinern zum einen den Spalt 32 zwischen Zugmaschine 12 und Anhänger 16, zum anderen sollen sie den Fahrtwind 20 um den Spalt 32 und die Kanten des Anhängers 16 herumleiten. Auch der Dachspoiler 24 kann als ein Luftleitelement 34 betrachtet werden. Gemein ist den Luftleitelementen 34, dass sie den aerodynamischen Widerstand reduzieren sollen, insbesondere durch ein Verhindern des Eintritts eines Luftstroms in den Spalt 32. Allerdings kann der Spalt 32 nicht vollständig geschlossen werden, da Anhänger 16 und Zugmaschine 12 während der Fahrt, insbesondere beim Rangieren, eine Relativbewegung zueinander durchführen können müssen. Außerdem ist der Anhänger 16 auswechselbar und wird nicht in jedem Fall dieselbe Größe aufweisen, sodass der Spalt 32 nur mit sehr hohem Aufwand vollständig mechanisch verschließbar ist. Durch die Umlenkung des den Lastkraftwagen 10 anströmenden Luftstroms in Form des Fahrtwinds 20 kann zudem durch die Luftleitelemente 34 selbst eine Verwirbelung in den Luftstrom induziert werden, sodass der aerodynamische Widerstand durch die Luftleitelemente 34 alleine nicht besonders gut reduziert werden kann.
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Zur Verbesserung der Aerodynamik des Lastkraftwagens 10 ist die Windleiteinrichtung 36 vorgesehen, welche vorliegend wenigstens einen Luftkanal 38 mit einem Eintritt 40 und einen in Vorwärtsfahrtrichtung dahinter angeordneten Austritt 42 umfasst, welche besonders gut in der schematischen Draufsicht des Lastkraftwagens 10 in 2 zu erkennen sind, wobei der Anhänger 16 hier nicht dargestellt ist. Das Fahrerhaus 14 ist geschnitten dargestellt, sodass insbesondere der Luftkanal 38 gut zu erkennen ist. Der Luftkanal 38 ist dabei von einem durch den Fahrtwind 20 erzeugten Luftstrom 44 durchströmbar, durch welchen der aerodynamische Widerstand des Aufbaus 18 und damit des Lastkraftwagens 10 reduzierbar ist. Dieser Luftstrom 44 tritt an den Austritten 42 wieder aus, sodass er den Lastkraftwagen 10 umströmenden Luftstrom vom Spalt 32 und Kanten des Anhängers 16 wegleiten kann. Dadurch können Verwirbelungen reduziert werden, sodass der aerodynamische Widerstand gesenkt wird. Gleichzeitig wird der Grenzschicht der Umströmung des Lastkraftwagens 10 Energie zugeführt, wodurch ebenfalls der aerodynamische Widerstand sinken kann. Insbesondere kann in einem besonders großen Bereich eine laminare Umströmung des Lastkraftwagens 10 erhalten werden. Der Austritt 42 kann dabei als eine oder mehrere Öffnungen ausgebildet sein. Im vorliegenden Beispiel von 1 und 2 ist der Austritt 42 als Schlitz gestaltet, welcher umlaufend den wenigstens größten Teil der Hinterkante des Fahrerhauses 14 umfasst, welche durch die Luftleitelemente 34 verdeckt ist.
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Insgesamt reduziert der Luftkanal 38 mit dem Eintritt 40 bereits den aerodynamischen Widerstand des Lastkraftwagens, auch ohne eine Umlenkung des Luftstroms am Spalt 32 und/oder eine Energiezufuhr in die Grenzschicht des den Lastkraftwagen 10 umströmenden Luftstroms. Der Luftkanal 38 und der Eintritt 40 reduzieren nämlich die effektive Stirnfläche des Lastkraftwagens, welche durch die Anströmung mit Fahrtwind 20 den aerodynamischen Widerstand erzeugt.
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In 1 sind vorteilhafte Positionierungen des Eintritts 40 gezeigt. Der Eintritt 40 kann beispielsweise im Kühlergrill 26 eingeordnet sein, in der Stoßstange 28 oder über den Scheinwerfern 30. Gerade beim Kühlergrill 26 sind bereits Öffnungen zum Eintreten von Luft vorgesehen. Wird durch eine Hybridisierung der Antriebstechnik, durch effizientere Motoren oder sonstige technische Neuerungen der Kühlungsbedarf verringert, so fallen die notwendigen Öffnungen im Kühlergrill 26 im Frontbereich der Zugmaschine 12 kleiner aus. Der dadurch frei werdende Platz kann besonders gut für den Eintritt 40 der Windleiteinrichtung 36 genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich können Öffnungen über den Scheinwerfern 30 oder in der Stoßstange 28 als Eintritt 40 vorgesehen werden. Auch ein Eintritt 40 im Dachspoiler 24 kann sinnvoll sein.
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In 2 ist außerdem gezeigt, dass der Luftkanal 38 sich in mehrere Luftkanäle 38 unterteilen kann, um unterschiedliche Öffnungen des Austritts 42 mit dem Luftstrom 44 zu versorgen. Dadurch ist es möglich, den Austritt 42 mit mehreren Austrittsöffnungen mit abweichenden Austrittswinkeln in lagemäßig beliebiger Anordnung zu gestalten. Im vorliegenden Beispiel sind die Austrittsöffnungen überwiegend in horizontaler Lage stromab unmittelbar hinter dem Dachspoiler 24 und hinter den seitlichen Luftleitelementen 34 in vertikaler Lage angeordnet.
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Insbesondere kann auch ein Luftkanal 38 durch den Dachspoiler 24 geführt werden, welcher im in 2 gezeigten Beispiel nicht an einer Vorderkante des Fahrerhauses 14 beginnt, sondern erst ab einer mittleren Lage. Durch die Anordnung des Luftkanals 38 innerhalb des Dachspoilers 24 wird kein zusätzlicher Bauraum für die Installation der Windleiteinrichtung 36 benötigt, sodass sie keinen weiteren Einfluss auf die äußere Fahrzeugaerodynamik hat. 3 zeigt in einer Draufsicht des Fahrerhauses 14 mit einem Schnitt durch den Dachspoiler 24 eine weitere mögliche Ausführungsform der Windleiteinrichtung 36. In diesem Fall beginnt der Dachspoiler 24 bereits an der Vorderkante des Fahrerhauses 14 beziehungsweise ragt sogar über dieses hinaus. An der Unterseite des Dachspoilers 24, welcher an das Fahrerhaus 14 angrenzt, ist dann ein weiterer Eintritt 40 vorgesehen. Beispielsweise kann der Überhang des Dachspoilers 24 über das Fahrerhaus 14 als schlitzförmiger Eintritt 40 der Windleiteinrichtung 36 genutzt werden. Dadurch ist eine möglichst kurze und gradlinige Führung des Luftkanals 38 zum Austritt 42 an der Hinterkante des Dachspoilers 24 möglich. Ein solch kurzer und besonders gradliniger Luftkanal 38 ist besonders vorteilhaft für die Effizienz der Windleiteinrichtung 36. Ein langer Luftkanal 38 bedeutet eine erhöhte Reduktion der Geschwindigkeit des Luftstroms 44 aufgrund von Reibung, wodurch die Wirkungsweise der Windleiteinrichtung 36 reduziert ist. Auch eine Umlenkung des Luftstroms 44 bedeutet eine Widerstandserhöhung, da der Staudruck erhöht wird und zusätzliche Verwirbelungen entstehen können.
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In besonders vorteilhafter Weise ist im Luftkanal 38 ein Ventilatorelement 46 angeordnet, welches beispielhaft in 8 gezeigt ist. Dieses Ventilatorelement 46 kann dem Luftstrom 44 zusätzliche Energie zuführen. Dadurch kann eine Verringerung der Geschwindigkeit des Luftstroms 44 im Luftkanal 38 durch Reibung und Umlenkung entgegengewirkt werden. Zudem wird dem Luftstrom 44 Energie zugeführt, sodass Verwirbelungen beispielsweise am Spalt 32 besonders gut reduziert werden können und der Grenzschicht des den Lastkraftwagen 10 umströmenden Luftstroms besonders gut und viel Energie zugeführt werden kann. Zusätzlich entsteht ein Saugeffekt am Eintritt 40 und damit auch an der Stirnfläche des Lastkraftwagens 10. Dies senkt den Staudruck an der Front des Lastkraftwagens 10 und damit den aerodynamischen Widerstand.
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Beide Effekte senken also den aerodynamischen Widerstand des Lastkraftwagens 10. Die genannten Auswirkungen auf den aerodynamischen Widerstand des Lastkraftwagens 10 und den davon abhängigen Kraftstoff- und/oder Energieverbrauch sind dabei größer als die zusätzlich benötigte Energie, um das Ventilatorelement 46 anzutreiben. Mit anderen Worten ist die Gesamtenergiebilanz der Windleiteinrichtung 36 und damit des Lastkraftwagens 10 trotz des Energiebedarfs zum Betreiben des Ventilatorelements 46 besonders gut. Besonders effizient arbeitet dabei die Windleiteinrichtung 36, wenn der Luftstrom 44 am Austritt 42 eine höhere Luftgeschwindigkeit aufweist, als der den Lastkraftwagen 10 umgebende Luftstrom. Zu diesem Zweck kann eine Drehzahl des Ventilatorelements 46 durch eine entsprechende Steuerung und dazugehörige Sensoren eingestellt werden.
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Auch die Luft, welche durch einen Kühler des Lastkraftwagens 10 strömt, kann als Luftstrom 44 im Luftkanal 38 der Windleiteinrichtung 36 genutzt werden. Allerdings ist damit zu rechnen, dass der Luftstrom 44 beim Durchströmen eines Kühlers an Energie beziehungsweise Strömungsgeschwindigkeit verliert und somit die Effizienz der Windleiteinrichtung 36 insgesamt gegenüber einer Windleiteinrichtung 36, welche keinen Luftstrom aus einem Kühler entnimmt, verringert ist.
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Der Anschluss des Luftkanals 38 an den Austritt 42 erfolgt vorzugsweise auf den Innenseiten der Luftleitelemente 34, sodass der Luftkanal 38 nicht die äußere Aerodynamik des Lastkraftwagens 10 durch seine Struktur beeinflussen kann. Das Ventilatorelement 46 kann dabei auch in vorteilhafter Art und Weise zwischen einer Rückseite des Fahrerhauses 14 und dem Austritt 42 angeordnet werden. Damit kann beispielsweise ein vorhandener Bauraum im Spalt 32 zwischen Anhänger 16 und Fahrerhaus 14 genutzt werden. Dadurch ist eine Integration der Windleiteinrichtung 36 mit Ventilatorelement 46 im Lastkraftwagen 10 besonders einfach möglich und die Struktur der Windleiteinrichtung 36 und insbesondere des Ventilatorelements 46 hat keine Auswirkung auf die äußere aerodynamische Gestaltung des Lastkraftwagens 10.
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4 zeigt in einer seitlichen Ansicht eine mögliche Ausführungsform eines als Chevron Nozzle 48 ausgebildet Austritts 42. Ein Kantenbereich 50 des Austritts 42 beziehungsweise der Chevron Nozzle 48 ist dabei als eine gekrümmte Linie ausgebildet, hier insbesondere als eine Art Wellenform. Durch diesen gewellten Kantenbereich 50 wird der Luftstrom 44, welcher aus dem Austritt 42 austritt, mit dem den Lastkraftwagen 10 umströmenden Luftstrom 52 besonders verwirbelungsarm vermischt. Dadurch kann zum einen besonders effizient Energie in die Grenzschicht des Luftstroms 52 eingetragen werden. Zum anderen verursacht dadurch der Luftstrom 44 am Austritt 42 besonders wenig Verwirbelungen, sodass kein oder nur besonders wenig zusätzlicher Widerstand durch eine Vermischung der beiden Luftströme 44 und 52 erzeugt wird. In 4 ist ferner zu erkennen, dass eine Kante des Austritts 42 in Form eines Falzes 54 ebenfalls leicht wellig gestaltet ist, um die Wirkungsweise der Chevron Nozzle 48 weiter zu unterstützen. Weiterhin ist zu erkennen, dass auf einer Fläche des Austritts 42 sogenannte Riblets 56 angeordnet sind. Riblets 56 sind eine Art von Rillenstruktur, welche die Querströmung im turbulenten Bereich einer Strömung in der Grenzschicht reduziert. Der Effekt der Riblets 56 ist hier also, die Luftströme 44 und/oder 52 so zu lenken, dass keine oder besonders wenige zusätzliche Verwirbelungen entstehen. Auch die Riblets 56 dienen also letztendlich der weiteren aerodynamischen Verbesserung der Windleiteinrichtung 36 und damit des Lastkraftwagens 10.
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5 zeigt nun diesen Austritt 42 in einer geschnittenen Draufsicht. Erneut sind die Riblets 56 an einer Seite des Austritts 42 zu erkennen. Auch der gezackte und gewellte Kantenbereich 50 der Chevron Nozzle 48 ist zu erkennen. In 5 wird insbesondere die Wirkung des Austritts 42 deutlich. Zum einen wird der Luftstrom 52 durch den Luftstrom 44 leicht vom Austritt 42 abgelenkt, sodass er beispielsweise um den in stromab liegenden Spalt 32 herum geführt wird. Außerdem fügt der Luftstrom 44 dem Luftstrom 52 Energie zu, sodass sich eine laminare Strömung bildet. Lediglich in einem kleinen Bereich hinter den Riblets 56 bildet sich noch eine kleine Grenzschicht 58 aus, welche jedoch nur eine leichte Turbulenz aufweist. Im Wesentlichen kann also mit dem den Luftkanal 38 durchströmenden und am Austritt 42 austretenden Luftstrom 44 eine laminare Strömung zumindest in einem Teilbereich an der Außenhaut des Lastkraftwagens 10 erzeugt werden, insbesondere in Bereichen, in denen anderenfalls bereits eine turbulente Strömung herrschen würde.
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In 6 ist in einer seitlichen schematischen Ansicht ausschnittsweise das Heck des Lastkraftwagens 10 mit dem Anhänger 16 dargestellt. Insbesondere durch die rechtwinklige Hinterkante 60 des Anhängers 16 entsteht ein großer Totwasserbereich 62 hinter dem Heck des Lastkraftwagens 10. Dieser Totwasserbereich 62 stellt einen. Bereich mit besonders verringertem Druck hinter dem Lastkraftwagen 10 dar. Dieser verringerte Druck im Totwasserbereich 62 bewirkt eine Kraft, welche auf das Heck des Lastkraftwagens 10 in entgegengesetzter Richtung der Fahrtrichtung wirkt und somit einen erhöhten aerodynamischen Widerstand verursacht. Diese Kraft erfordert zu ihrer Überwindung einen erhöhten Kraftstoff und/oder Energieverbrauch durch den Lastkraftwagen 10.
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Um diesen Effekt zu verringern, ist eine weitere Ausführungsform der Windleiteinrichtung 36 unter dem Aufbau 18 am Heck des Lastkraftwagens 10 angeordnet. Der Eintritt 40 des Luftkanals 38 ist nahe am Heck des Lastkraftwagens 10 vor einem Unterfahrschutz 64 angeordnet und der Austritt 42 stromab hinter dem Heck. Diese Anordnung hat zwei Vorteile. Zum einen wird ein Luftstrom 66, welcher unter dem Anhänger 16 am Lastkraftwagen 10 entlang strömt, um den Unterfahrschutz 64 herumgeführt. Der Luftstrom 66 wird also um den Unterfahrschutz 64 herum und/oder durch diesen hindurchgeführt, ohne dabei auf die Stirnfläche des Unterfahrschutzes 64 zu treffen und dabei einen Luftwiderstand zu verursachen. Der Luftstrom 66 ist dabei im Wesentlichen durch den Fahrtwind 20 des Lastkraftwagens 10 erzeugt. Der zweite Effekt ist, dass der Luftstrom 44, welcher erneut durch den Luftkanal 38 der Windleiteinrichtung 36 strömt, durch den Austritt 42 in den Totwasserbereich 62 des Lastkraftwagens 10 gelenkt wird. Damit kann dieser Luftstrom 44 dort eine Druckerhöhung bewirken, wodurch der aerodynamische Widerstand des Lastkraftwagens 10 sinkt und entsprechend der Verbrauch reduziert wird.
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Der Austritt 42 ist dabei unmittelbar hinter oder am Heck des Lastkraftwagens 10 an einer Ladekante angeordnet. Der Austritt 42 kann erneut in vorteilhafter Weise als Schlitz entlang der gesamten Ladekante ausgebildet sein. Der Luftkanal 38 sollte ebenfalls aerodynamisch optimiert werden. Im gezeigten Fall ist der Luftkanal 38 dafür beispielsweise besonders kurz und gradlinig ausgeführt und besitzt einen von der Fläche her größeren Eintritt 40 als Austritt 42. Dadurch wird der Luftstrom 44, ähnlich wie bei einer Düse, beschleunigt. Auch die Umlenkung des Luftstroms 44 im Luftkanal 38 sollte so erfolgen, dass ein besonders geringer Staudruck am Eintritt 40 erzeugt wird und die Geschwindigkeit des Luftstroms 44 besonders wenig im Luftkanal 38 sinkt bzw. dem Luftstrom 44 Energie durch Reibung und Umlenkung verloren geht. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der Luftstrom 44 bei der gezeigten Anordnung in jedem Fall umgelenkt werden muss, damit er auch tatsächlich in den Totwasserbereich 62 einströmt. Es ist dafür auch möglich, den Luftkanal 38 durch den Anhänger 16 selbst zu führen. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass der Laderaum des Lastkraftwagens 10 nicht in unerwünschter Art und Weise beeinflusst wird. Auch beim Luftkanal 38 am Heck des Lastkraftwagens 10 kann es wegen der vorher erläuterten Vorteile sinnvoll sein, ein Ventilatorelement 46 anzuordnen, um dem Luftstrom 44 Energie zuzuführen bzw. diesen zu beschleunigen. Eine Kombination der Windleiteinrichtung 36 oder zumindest des Luftkanals 38 mit dem Unterfahrschutz 64 als integrales Bauelement ist ebenfalls möglich.
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7 zeigt in einer Detailansicht von 6 eine weitere Ausführungsalternative der Windleiteinrichtung 36. In diesem Fall ist am Heck des Lastkraftwagens 10 eine Schutzvorrichtung 68 angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Stoßstange an der Ladekante des Anhängers 16 handeln. Die Schutzvorrichtung 68 kann alternativ auch als eine Art Gummipuffer zum Schutz des Anhängers 16 und/oder der Windleiteinrichtung 36 ausgebildet sein. Die Schutzvorrichtung 68 kann auch seitlich am Anhänger 16 befestigt werden. Der Luftkanal 38 ist hier aus wenigstens zwei teleskopisch ineinander schiebbaren Kanalelementen 70 gebildet. 7 zeigt dabei diese teleskopisch ineinander schiebbaren Kanalelemente 70 in einer Schutzstellung, in welcher das Kanalelement 70, an welchem sich der Austritt 42 des Luftkanals 38 befindet, sich entgegen der Vorwärtsfahrtrichtung höchstens genauso weit wie die Schutzvorrichtung 68 erstreckt. In einer Betriebsstellung ragt dagegen das Kanalelement 70 beispielsweise über die Schutzvorrichtung 68 in Längsrichtung des Lastkraftwagens 10 hinaus, sodass der Austritt 42 freigegeben ist und der Luftstrom 44 in den Totwasserbereich 62 zur Widerstandsreduktion einströmen kann. Auch in dieser Ausführungsvariante der Windleiteinrichtung 36 kann sich der Austritt 42 über die gesamte oder fast gesamte Breite des Anhängers 16 erstrecken. Alternativ kann der Austritt 42 auch als Rohrelement ausgebildet sein, welche besonders kostengünstig sind.
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In der Schutzstellung ist der Luftkanal 38 mit seinen Kanalelementen 70 und dem Austritt 42 vor einer Beschädigung beispielsweise durch eine Kollision mit einer Laderampe geschützt. Mit anderen Worten kann der Lastkraftwagen 10 beispielsweise rückwärts rangiert werden und dabei mit einem Objekt zusammenstoßen, ohne das die Windleiteinrichtung 36 beschädigt wird. Durch den Zusammenstoß wird das Kanalelement 70 beispielsweise in Richtung des Anhängers 16 gedrückt, ohne dass es zu einer dauerhaften Verformung kommt. Das Kanalelement 70 wird beispielsweise in der Betriebsstellung durch ein Federelement 72 gehalten. Im gezeigten Beispiel ist die Windleiteinrichtung 36 also automatisch verstellbar, nämlich ein- und ausfahrbar, ausgeführt. Auch das Vorsehen einer aktiven, gesteuerten Verstellung mittels einer Steuereinrichtung ist denkbar.
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Auch der Eintritt 40 kann sich bei den in 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen der Windleiteinrichtung 36 über die gesamte oder fast gesamte Breite des Anhängers 16 erstrecken oder nur partiell über Teile der Breite. Der Eintritt 40 kann dabei als Rohr ausgebildet sein oder als Schlitz. Die Ausgestaltung des Eintritts 40 wird dabei insbesondere durch den Luftstrom 66 unter dem Anhänger 16 bestimmt, wobei gerade durch Fahrwerkselemente große Verwirbelungen eine sinnvolle Nutzung von Teilen des Luftstroms 66 verhindern können. Die beschriebene Windleiteinrichtung 36 am Heck des Lastkraftwagens 10 ist besonders einfach nachrüstbar. Der Austritt 42 kann vorteilhafterweise mit einer Klappeneinrichtung 74 versehen werden, welche anhand von 8 näher beschrieben und im Detail dargestellt wird.
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8 zeigt in einer schematischen seitlichen Schnittansicht einen Austritt 42 einer alternativ ausgeführten Windleiteinrichtung 36. Die in 8 gezeigte Ausführungsform der Windleiteinrichtung 36 umfasst eine Stelleinrichtung, welche eine am Austritt 42 angeordnet Klappeneinrichtung 74 umfasset, mittels welcher eine Größe und Form einer Öffnung des Austritts 42 einstellbar ist. Die Klappeneinrichtung 74 ist dafür verdrehbar an einer Außenwand des Luftkanals 38 gelagert, was durch den Pfeil 76 veranschaulicht wird. Durch das Verdrehen der Klappeneinrichtung 74 kann der Luftstrom 44 beziehungsweise dessen Austrittsgeschwindigkeit am Austritt 42 des Luftkanals 38 wie bei einer Düse beeinflusst werden. Dadurch kann die Geschwindigkeit des Luftstroms 44 an eine Fahrgeschwindigkeit des Lastkraftwagens 10 angepasst werden. Diese Fahrgeschwindigkeit wird beispielsweise durch einen Tacho erfasst. Alternativ kann eine Stelleinrichtung auch andere oder weitere Parameter beachten. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit des eintretenden Luftstroms oder die eintretende Luftmasse am Eintritt 40 der Windleiteinrichtung 36 gemessen werden und dann die Klappeneinrichtung 74 in Abhängigkeit dieses Messwerts verstellt werden. Dadurch werden dann auch äußere Einflüsse wie Wind oder eine Beeinflussung des Fahrtwindes 20 durch andere Verkehrsteilnehmer beim Betreiben der Windleiteinrichtung 36 mitberücksichtigt.
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Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass diese komplett unter einem Ladeboden angeordnet ist und nicht über die Ladekante hinausragt. Ist der Anhänger 16, auch Auflieger genannt, an seinem Heckende mit einer Ladebordwand ausgerüstet, so besteht durch das bündige Abschließen der Windleiteinrichtung 36 mit der Ladekante keine Kollisionsgefahr zwischen einer Arbeitsplattform und dem Luftkanal 38 beim Be- und Entladen.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Luftkanal 38 teleskopartig ähnlich wie in 7 auszuführen und bei einer Fahrzeugbewegung mittels eines Aktors wenigstens teilweise über Ladekante hinaus auszufahren. Wird ein zusätzlicher und ebenfalls teleskopartig ausgeführtes Kanalelement 70 nach oben in Richtung Oberkante des Anhängers 16 und damit in Richtung des Totwasserbereichs 62 ausgefahren, erhöht sich durch die Umlenkung der Strömungswiderstand der Luftströmung, andererseits besteht die Möglichkeit, den Austritt 42 optimiert zum Totwasserbereich 62 zu positionieren. Durch mehrere Austritte 42 kann zudem ein flächiger Luftaustritt in den Totwasserbereich 62 realisiert werden.
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Außerdem kann die Klappeneinrichtung 74 dazu genutzt werden, den Luftkanal 38 bei geringen Geschwindigkeiten des Lastkraftwagens 10 und insbesondere bei einem stehenden Lastkraftwagen 10 zu verschließen. Damit ist die Windleiteinrichtung 36 vor Umwelteinflüssen und Fremdkörpern geschützt. Beispielsweise kann kein Wasser mehr eintreten und sich im Luftkanal 38 sammeln. Außerdem können keine Steine oder dergleichen in den Luftkanal 38 fallen und dann bei einer Aktivierung des Ventilatorelements 46 dieses beschädigen.
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Die gezeigte Klappeneinrichtung 74 kann in ähnlicher Art und Weise auch am Eintritt 40 des Luftkanals 38 vorgesehen werden. Auch hier kann sie vor Beschädigungen und Fremdkörpern schützen und eine Öffnung des Eintritts 40 für eine optimale aerodynamische Gestaltung einstellbar verändern.
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Auch das Ventilatorelement 46 der Stelleinrichtung kann an die Fahrgeschwindigkeit des Lastkraftwagens 10, eine Anströmgeschwindigkeit und/oder andere Parameter angepasst werden. Beispielsweise wird bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten, bei denen nur ein geringer aerodynamischer Widerstand entsteht, das Ventilatorelement 46 gar nicht angetrieben. In diesem Fall dreht sich das Ventilatorelement 46 beispielsweise im Leerlauf und verursacht so – auch aufgrund der besonders geringen Anströmgeschwindigkeit – nur einen minimalen zusätzlichen Luftwiderstand im Luftkanal 38. Gleichzeitig wird jedoch die Energie zum Betreiben des Ventilatorelements 46 eingespart, da insgesamt noch kein besonders hoher Luftwiderstand vorliegt und deswegen eine Energiezufuhr in den Luftstrom 44 zu keiner positiven Energiebilanz führen würde. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten des Lastkraftwagens 10 kann dann beispielsweise eine Drehzahl des Ventilatorelements 46 so angepasst werden, dass eine optimale Ausströmgeschwindigkeit des Luftstroms 44 am Austritt 42 eingestellt wird und der aerodynamische Widerstand des Lastkraftwagens 10 besonders wirkungsvoll reduziert wird.
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Durch die ansteuerbaren und beweglichen Klappen der Klappeneinrichtung 74 kann außerdem die Richtung des Luftstroms 44 am Austritt 42 beeinflusst werden, um eine optimale aerodynamische Wirkung zu erzielen, insbesondere am Heck des Lastkraftwagens 10 und am Spalt 32 zwischen dem Anhänger 16 und der Zugmaschine 12.
