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Die Erfindung betrifft einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Die Optimierung von aerodynamischen Eigenschaften, insbesondere eines Luftwiderstandsbeiwertes oder cw-Wertes und/oder einer Stirnfläche, bietet großes Potential für die Senkung von Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs und damit auch der Betriebskosten eines Kraftwagens. Dabei sind der Optimierung im Falle eines Personenkraftwagens, beispielsweise durch Marktanforderungen an ein optisches Erscheinungsbild eines Personenkraftwagens, jedoch enge Grenzen gesetzt. Im Falle eines Lastkraftwagens besitzt eine Maximierung eines Laderaums unter Einhaltung gesetzlicher Höchstmaße häufig Vorrang vor einer besonders aerodynamischen Formgebung.
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Durch einen zunehmenden Grad an Automatisierung einer Fahrt eines Kraftwagens bieten Fahrerassistenzsysteme die Möglichkeit, Sicherheitsabstände durch Minimierung einer Reaktionszeit und damit eines Anhalteweges zu verringern. Durch diese geringen Sicherheitsabstände lassen sich durch Teilnahme bei einer Kolonnenfahrt der Kraftstoffverbrauch und damit auch die Schadstoffemissionen senken. Beispiele für solche Fahrerassistenzsysteme sind Bremsassistenten, die mittels einer Sensoreinheit eine Umgebung des Kraftwagens erfassen, oder Kommunikationssysteme, die eine zumindest teilweise automatische Kommunikation von Kraftwagen untereinander ermöglichen, beispielsweise Highway-Pilot.
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Eine derartige Kolonnenfahrt ist in 1 in einer Seitenansicht mit einem vorderen Lastkraftwagen 10 und einem hinteren Lastkraftwagen 20 gezeigt, wobei beide Lastkraftwagen 10, 20 in dieselbe Fahrtrichtung 40 fahren mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit. Aufgrund der von der Umgebungsluft abweichenden Fahrtrichtung 40 und Geschwindigkeit der beiden Lastkraftwagen 10, 20 bildet sich an den beiden Lastkraftwagen 10, 20 jeweils eine Einzelluftströmung aus. Aufgrund der Kolonnenfahrt der beiden Lastkraftwagen 10, 20, insbesondere aufgrund deren geringem Abstand zueinander, resultiert aus den beiden Einzelluftströmungen der beiden Lastkraftwagen 10, 20 eine Luftströmung 42 durch eine Wechselwirkung der beiden Einzelluftströmung. Im Rahmen dieser Wechselwirkung können sich die beiden Einzelluftströmungen gegenseitig zumindest teilweise beeinflussen oder es findet nur eine Beeinflussung einer Einzelluftströmung durch die andere Einzelluftströmung statt. Eine Wechselwirkung der beiden Einzelluftströmungen tritt insbesondere in einem Heckbereich 14 des vorderen Lastkraftwagens 10 und in einem Frontbereich 22 des hinteren Lastkraftwagens 20 auf.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftwagen bereitzustellen, durch welchen sich bei Teilnahme an einer Kolonnenfahrt der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß gegenüber dem Stand der Technik verringert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um einen Kraftwagen der eingangs genannten Art zu schaffen, der den Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffausstoß bei Teilnahme an einer Kolonnenfahrt senkt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Position eines Aerodynamikelements während einer Fahrt des Kraftwagens anhand von durch eine Sensoreinheit und/oder eine Kommunikationseinheit erfassten Zustandsdaten betreffend einen in Kolonnenfahrt vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen veränderbar ist. Als Kolonnenfahrt ist hierbei der Fall bezeichnet, dass zumindest zwei Kraftwagen zumindest zeitweise miteinander gekoppelt in eine im Wesentlichen gleiche Richtung fahren und zumindest ein Kraftwagen eine Wechselwirkung mit einer zumindest teilweise durch den anderen Kraftwagen ausgebildeten und/oder veränderten Luftströmung erfährt. Eine derartig gekoppelte selbstfahrende Fahrt der beteiligten Fahrzeuge wird auch im deutschen Sprachgebrauch als Platooning bezeichnet. Ein Aerodynamikelement im Sinne der Erfindung ist ein jegliches Bauteil, welches dazu geeignet ist, die aerodynamischen Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf eine parallel zur Fahrtrichtung verlaufenden Luftströmung, zu optimieren. Beispielsweise infrage kommen hierfür außen am Kraftwagen angebrachte Klappelemente und/oder intern angebrachte Elemente, mit welchen sich die Struktur einer von einer Plane überzogenen Oberfläche verändern lässt. Vorzugsweise sind durch Veränderung der Position der Aerodynamikelemente die Einzelluftströmungen der einzelnen Kraftwagen aneinander anpassbar. Mit anderen Worten wird die Aerodynamik zumindest eines Kraftwagens dahingehend verändert, dass die Luftströmung nicht in Bezug auf den einen Kraftwagen, sondern auf eine ganze Kolonne bezogen optimiert wird. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, wenn ein einzelner Kraftwagen durch die Optimierung mehr Kraftstoff verbraucht, wenn hierdurch der Kraftstoffverbrauch eines anderen Kraftwagens besonders stark gesenkt werden kann.
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Die Sensoreinrichtung kann Teil eines Fahrerassistenzsystems und dazu ausgebildet sein, beispielsweise mittels Ultraschall, Radar, und/oder optischer Sensoren, Zustandsdaten, die den vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen betreffen, zu erfassen. Insbesondere können mehrere gleichartige oder verschiedenartige Sensoren für eine umfassende Ermittlung von Zustandsdaten sowohl vorausfahrender als auch nachfolgender Kraftwagen vorgesehen sein. Mittels der Kommunikationseinheit können Zustandsdaten, die den vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen betreffen, von einer korrespondierenden Kommunikationseinheit des vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens empfangbar sein. Vorteilhafterweise sind durch die Kommunikationseinheit auch den Kraftwagen selbst betreffende Zustandsdaten an den vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen beziehungsweise an dessen Kommunikationseinheit sendbar. In diesem Fall ist auch dem vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens eine Anpassung seiner Aerodynamik an die Kolonnenfahrt ermöglicht.
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Vorteilhafterweise werden die Zustandsdaten, die den vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen betreffen, mit Zustandsdaten, die den Kraftwagen selbst betreffen, in Verbindung gesetzt. Insbesondere werden dabei relative Zustandsdaten ermittelt, welche beispielsweise eine Relativbewegung des Kraftwagens und des vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens, betreffen. Anhand der relativen Zustandsdaten ist eine besonders gute Steuerung des Aerodynamikelements beziehungsweise der Aerodynamikelemente ermöglicht.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftwagens ist ein Aerodynamikelement am Heck und/oder an der Front des Kraftwagens angeordnet. An der Front beziehungsweise am Heck ist die Funktion eines solchen Aerodynamikelements besonders effektiv, insbesondere im Hinblick auf die Wechselwirkung des Aerodynamikelementes mit dem vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen. Vorteilhafterweise sind Aerodynamikelemente sowohl am Heck als auch an der Front des Kraftwagens angeordnet, was eine besonders vorteilhafte Wechselwirkung sowohl mit einem vorausfahrenden als auch mit einem nachfolgenden Kraftwagen ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Steuereinheit vorgesehen, die zum Steuern einer automatischen Veränderung der Position des Aerodynamikelements ausgebildet ist. Hierdurch ist eine hohe Bedienungssicherheit der Aerodynamikelemente gewährleistet, da Fehlbedienungen durch einen Nutzer ausgeschlossen sind. Außerdem wird der Bedienungskomfort für den Nutzer erhöht. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit zum Steuern einer automatischen Veränderung der Position des Aerodynamikelements anhand aller durch die Sensoreinrichtung und/oder die Kommunikationseinheit erfassten und/oder ermittelten Zustandsdaten und anhand von gespeicherten Aerodynamikdaten ausgebildet. Die Aerodynamikdaten können durch Simulation oder Messungen, insbesondere Windkanalmessungen, erhaltene Daten umfassen. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Steuerung des Aerodynamikelements durch die Steuereinheit.
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In einer Ausführungsform betreffen die Zustandsdaten zumindest teilweise einen Abstand zu dem vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen. Die Position des Aerodynamikelements ist dann zumindest teilweise in Abhängigkeit von diesem Abstand einstellbar. Beispielsweise kann die Position des Aerodynamikelements anhand einer Momentangeschwindigkeit des Kraftwagens, anhand des Abstandes und anhand der Relativgeschwindigkeit zu dem vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen veränderbar sein.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung betreffen die Zustandsdaten zumindest teilweise eine Große und/oder Bauform des vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens. Je nachdem, ob es sich bei dem vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen um einen großen Kraftwagen, beispielsweise einen Lastkraftwagen, oder einen kleinen Kraftwagen, beispielsweise einen Personenkraftwagen, handelt, ist eine andere Position des Aerodynamikelementes nötig. Vorzugsweise ist die Position des Aerodynamikelements daher zumindest teilweise in Abhängigkeit von der Größe und/oder Bauform des vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens veränderbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Position des Aerodynamikelements zusätzlich anhand einer Fahrsituation veränderbar. Beispiele für solche Fahrsituationen, in welchen eine Veränderung der Position des Aerodynamikelementes vorteilhaft ist, sind Kurvenfahrten und/oder Bremsvorgänge. Mit anderen Worten kann das Aerodynamikelement in weiterer Ausgestaltung dazu genutzt werden, den Fahrkomfort, die Fahrsicherheit und/oder das Fahrverhalten des Kraftwagens zu verbessern. Beispielsweise ermöglicht eine Veränderung der Position des Aerodynamikelementes durch einen erhöhten Anpressdruck des Kraftwagens auf einen Untergrund schnellere und/oder sicherere Kurvenfahrten sowie einen verkürzten Bremsweg.
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Außerdem wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben zumindest eines Aerodynamikelements eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftwagen beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das Verfahren zum Betreiben zumindest eines Aerodynamikelements eines Kraftwagens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 in einer Seitenansicht eine schematische Luftströmung entlang zweier in einer Kolonne fahrenden Lastkraftwagen gemäß dem Stand der Technik, und
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2 in einer Seitenansicht eine optimierte Luftströmung zweier in einer Kolonne fahrenden Lastkraftwagen, wobei der vordere, erfindungsgemäße Lastkraftwagen in einem Heckbereich Aerodynamikelemente aufweist.
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Während 1 eine Kolonnenfahrt jeweiliger Lastkraftwagen 10, 20 gemäß dem Stand der Technik zeigt, ist in 2 – ebenfalls in einer Seitenansicht – eine vergleichbare Anordnung zweier Lastkraftwagen 26, 30 in einer Kolonnenfahrt gezeigt, wobei ein vorderer, erfindungsgemäßer Lastkraftwagen 30 in einem Heckbereich 34 zwei Aerodynamikelemente 36 aufweist. Außerdem umfasst der erfindungsgemäße Lastkraftwagen 30 eine Sensoreinheit 50 und eine Kommunikationseinheit 54 zur Erfassung von Zustandsdaten sowie eine Steuereinheit 60 zum Steuern der Aerodynamikelemente 36. Die Steuereinheit 60 des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 ist über Datenleitungen 62 mit der Kommunikationseinheit 54 und der Sensoreinrichtung 50 verbunden und empfängt Daten, insbesondere Zustandsdaten, welche den nachfolgenden Lastkraftwagen 26 betreffen, von diesen.
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Die Sensoreinrichtung 50 umfasst ein Radargerät, welches elektromagnetische Wellen, insbesondere Radarwellen 52, aussendet, empfängt und analysiert. Auf diese Weise werden in der Sensoreinrichtung 50 des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 Zustandsdaten betreffend den nachfolgenden Lastkraftwagen 26 ermittelt, beispielsweise ein Abstand und/oder eine Relativgeschwindigkeit der beiden Lastkraftwagen 26, 30 zueinander. Die Sensoreinrichtung 50 kann anstatt eines Radargeräts oder zusätzlich dazu auch andere Sensoren umfassen, beispielsweise Ultraschallsensoren und/oder optische Sensoren.
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Die Kommunikationseinheit 54 des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 sendet elektromagnetische Wellen, insbesondere Funkwellen 55, aus und empfängt durch eine korrespondierende Kommunikationseinheit 56 des nachfolgenden Lastkraftwagen 26 ausgesendete Funkwellen 57. Dadurch erfasst die Kommunikationseinheit 54 des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 Zustandsdaten, die den nachfolgenden Lastkraftwagen 26 betreffen, beispielsweise eine Momentangeschwindigkeit des nachfolgenden Lastkraftwagens 26, eine Wunschgeschwindigkeit des nachfolgenden Lastkraftwagens 26, ein Fahrtziel des nachfolgenden Lastkraftwagens 26 und/oder Daten, welche die Aerodynamik des nachfolgenden Lastkraftwagens 26 betreffen, beispielsweise eine Größe der Stirnfläche, eine Fahrzeuglänge, eine Formgebung des Frontbereiches 27 und/oder einen cw-Wert.
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Die Aerodynamikelemente 36 sind beweglich im Heckbereich 34 des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 angeordnet, sodass ihre Position zur Optimierung einer Luftströmung 44 zwischen mehreren Stellungen veränderbar ist. Die Aerodynamikelemente können hierzu an einer oder mehreren Achsen klappbar, entlang einer Schiene verschiebbar, in sich faltbar beziehungsweise krümmbar und/oder auf andere Art und Weise bewegbar sein. Hierdurch kann ein Luftwiderstand sowohl des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 als auch des nachfolgenden Lastkraftwagens 26 verringert werden. Die Position der Aerodynamikelemente 36 ist durch die Steuereinheit 60 unter Berücksichtigung von den nachfolgenden Lastkraftwagen 26 betreffenden Zustandsdaten veränderbar. Durch eine vorteilhafte Position der Aerodynamikelemente 36 ergibt sich eine optimierte Luftströmung 44 entlang der beiden Lastkraftwagen 26, 30. Hierdurch ergibt sich ein geringerer Luftwiderstand sowie ein geringerer Schadstoffausstoß der beiden Lastkraftwagen 26, 30.
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In diesem Ausführungsbeispiel wurde die grundlegende Beschaffenheit und Funktion eines erfindungsgemäßen Kraftwagens beispielhaft für zwei in einer Kolonne, insbesondere mittels Platooning, fahrende Lastkraftwagen 26, 30 beschrieben. Aerodynamikelemente 36 sind dabei nur im Heckbereich 34 des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 vorhanden. Für eine noch umfassendere Optimierung der Luftströmung 44 können auch Aerodynamikelemente 36 im Frontbereich des erfindungsgemäßen Lastkraftwagens 30 vorgesehen sein, um eine Anpassung des Frontbereichs 32 an einen vorausfahrenden Lastkraftwagen vorzunehmen. Ein erfindungsgemäßer Kraftwagen kann beispielsweise ein Lastkraftwagen 30 oder ein Personenkraftwagen sein.
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Es ergibt sich eine variable Struktur einer Außenhülle eines Kraftwagens, beispielsweise eines Lastkraftwagen 30, welche bei Teilnahme an einer Kolonnenfahrt mehrerer Kraftwagen beziehungsweise Lastkraftwagen 26, 30 und abhängig von der jeweiligen Position des Kraftwagens innerhalb der Kolonne veränderbar ist. Diese Veränderung, insbesondere der Position eines Aerodynamikelements 36, kann automatisch erfolgen, beispielsweise durch eine Steuereinheit 60. Die Steuereinheit 60 kann dazu ausgebildet sein, über eine Datenverbindung 62 Zustandsdaten von einer Sensoreinrichtung 50 und/oder einer Kommunikationseinheit 54, beispielsweise realisiert über Car-2X, zu erhalten.
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Als Zustandsdaten beziehungsweise Stellgrößen für die Veränderung der Position eines Aerodynamikelements 36 kommen dabei verschiedene Zustandsdaten beziehungsweise Stellgrößen infrage, beispielsweise die Position des Kraftwagens in der Kolonne (führend, inmitten, am Ende), Vorhandensein eines vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens, Entfernung zum vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen, Art beziehungsweise Formgebung des nachfolgenden beziehungsweise vorausfahrenden Kraftwagens (Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Geländewagen, Bordwagen, Lastkraftwagen mit Anhänger/Auflieger), Geschwindigkeit (eigene Geschwindigkeit, Geschwindigkeit des nachfolgenden Kraftwagens, Geschwindigkeit des vorausfahrenden Kraftwagens), Windverhältnisse und/oder weitere.
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Je mehr Zustandsdaten sammelbar sind auf der einen Seite und je umfassender anpassbar eine Form des Kraftwagens ist auf der anderen Seite, umso umfassender ist auch die Luftströmung 44 optimierbar. Eine besonders optimale Luftströmung 44 ergibt sich für eine Kolonne mehrerer erfindungsgemäßer Kraftwagen. Dann kann jeder Teilnehmer der Kolonne die Luftströmung 44 optimieren.
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Neben einer Optimierung eines Luftwiderstandes des Kraftwagens können durch die Aerodynamikelemente auch sicherheitstechnische Lösungen realisiert sein. Beispielsweise kann bei einer unebenen Fahrbahn, in einer Kurve, beim Bremsen und/oder in weiteren Verkehrssituationen durch eine gezielte Erhöhung und/oder Senkung eines Anpressdrucks des Kraftwagens auf die Fahrbahn ein Fahrverhalten, insbesondere in Bezug auf Bremsweg, Spurtreue, Kurvengeschwindigkeit und/oder Fahrkomfort, beziehungsweise die Fahrzeugstabilität maßgeblich verbessert werden und folglich auch die Sicherheit sowie eine maximal fahrbare Geschwindigkeit erhöht werden.
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Der Einsatz eines oder mehrerer verstellbarer Aerodynamikelemente im Sinne der Erfindung ist selbstverständlich auch ohne gekoppelte Kolonnenfahrt möglich, beispielsweise bei Einhalten eines geringen Sicherheitsabstandes durch einen Fahrer. Auch hier kann durch Verändern der Position des Aerodynamikelementes beziehungsweise der Aerodynamikelemente anhand der einen vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagen betreffenden Zustandsdaten ein verringerter Kraftstoffverbrauch und verringerte Schadstoffemissionen erzielt werden. Die Sicherheit kann dann durch Abstandshaltetempomat mit Bremsassistent gewährleistet sein.
