DE102016106820A1

DE102016106820A1 - Luftführung eines Landfahrzeuges mit einer Abgasanlage mit zumindest einem Abgasendrohr sowie ein mit einer solchen Luftführung ausgestattetes Landfahrzeug

Info

Publication number: DE102016106820A1
Application number: DE102016106820.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dobriloff; Marcus Köhler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2017-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftführung (1) sowie ein damit ausgestattetes Landfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, deren Abgase durch mehrere Abgasendrohre (4) im Bereich eines Hecks (5) des Landfahrzeuges in die Umgebung abgeführt werden. Die Luftführung (1) ist mit einem Lufteinlass (7) im Unterboden (6) des Landfahrzeuges ausgestattet, der mit einer gegenüber dem Unterboden (6) nach unten vorspringend angeordneten Staulippe (9) begrenzt ist. Durch die Staulippe (9) wird die zugeführte Luftströmung gesteuert und durch einen Kanal (10) der Luftführung (1) den Abgasendrohren (4) zugeführt. Der Teil der Luft tritt als scharfer bzw. energiereicher Luftstrahl (11) oberhalb des jeweiligen Abgasendrohres (4) am Heck (5) des Landfahrzeuges in die Umgebung derart aus, dass die Strömungsablösung und damit die Rückströmung (12) am Heck (5) des Landfahrzeuges erst oberhalb der Abgasendrohre (4) beginnt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftführung eines Landfahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine zum Antrieb des Landfahrzeuges, mit einer Abgasanlage mit zumindest einem Abgasendrohr, wobei ein Teil der im Fahrbetrieb unter dem Landfahrzeug strömenden Luft an einem Unterboden des Landfahrzeuges geführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit einer solchen Luftführung ausgestattetes Landfahrzeug.
Im Fahrbetrieb eines Landfahrzeuges kommt es im Bereich des Fahrzeughecks zu einer Ablösung der Luftströmung. Im Allgemeinen kann man zwei Arten von Ablösungen unterscheiden: Die druckinduzierte und die geometrieinduzierte Ablösung, die bei Fahrzeugen maßgeblich auftritt. Dabei reißt die Strömung an scharfen Kanten ab und es bildet sich ein Strömungsnachlauf aus.
Das körpernahe Nachlaufgebiet ist durch ein Rückstromgebiet, auch Totwassergebiet genannt, charakterisiert. Hier sind zwei gegensinnig rotierende Wirbel typisch für Fahrzeuge, die das gesamte Gebiet des Totwassers definieren. Es herrscht ein Unterdruck. Ab dem Punkt, bei dem die mittlere Strömungsrichtung wieder der Hauptströmungsrichtung entspricht, spricht man von fernem Nachlauf.
Im Heckbereich eines mit einer Brennkraftmaschine angetriebenen Landfahrzeuges können hohe Bauteiltemperaturen auftreten, wenn heißes Abgas aus einem oder mehreren Abgasendrohren, insbesondere fahrzeugmittig angeordneten Abgasendrohren, einer Abgasanlage der Brennkraftmaschine in das Nachlaufgebiet oder Totwassergebiet hinter dem Landfahrzeug gelangt und aufgrund der dort vorhandenen Rückströmung den Heckbereich beaufschlagt. Die Rückströmung des heißen Abgases wird besonders bei Landfahrzeugen begünstigt, welche eine Abrisskante unterhalb des einen oder der mehreren Abgasendrohre der Abgasanlage aufweisen.
Geläufige Maßnahmen zur Vermeidung der Rückströmung des heißen Abgases sind zum Beispiel die direkte Ablenkung des Abgasstromes durch Leitelemente, wie Leitbleche, oder durch gerichtete, insbesondere gekrümmte Abgasendrohre.
Nachteilig dabei können allerdings eine Erhöhung des Druckverlustes in der Abgasanlage und eine damit verbundene Leistungseinbuße sein. Sind die Abgasendrohre weit nach hinten ausgestellt, tritt das Abgas nicht in das Nachlaufgebiet hinter dem Landfahrzeug aus. Auch können in konkreten Ausführungsformen des Landfahrzeuges die Positionierung der Abgasendrohre, zum Beispiel außermittig, oder die Entfernung der Abrisskante qualitative und/oder quantitative Änderungen der Rückströmung des heißen Abgases bewirken.
In der EP 1 022 445 B1 ist ein Gasleitungssystem für eine ein Fahrzeug antreibende Brennkraftmaschine beschrieben. Das Gasleitungssystem weist zwei in Strömungsrichtung im Wesentlichen aufeinanderfolgende Gasleitungen auf, von denen die der Gasquelle nähere Gasleitung mit einem Endbereich unter Wahrung eines Spaltes in den eine größere lichte Weite aufweisenden Endbereich der zweiten Gasleitung ohne direkte Berührung hineinragt, die den Endbereich einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage bildet und als Diffusorblende mit in Gasströmungsrichtung kontinuierlich zunehmendem Strömungsquerschnitt ausgebildet ist. Die beiden Gasleitungen sind an Teilen des Fahrzeuges befestigt, die im Fahrbetrieb Relativbewegungen ausführen, wobei die ineinander ragenden Endbereiche der Gasleitungen nicht Bewegungen und Schwingungen übertragend in Verbindung stehen.
In der DE 101 36 350 B4 wird eine Abgasleitung für eine Brennkraftmaschine in einem eine Kunststoff-Heckschürze aufweisenden Fahrzeug mit einem Abgasrohr beschrieben. Das Abgasrohr ragt unter Bildung eines wärmeisolierenden Spaltes in eine als Abgasendrohrblende ausgebildete Blende hinein. Durch den Spalt gelangt während des Fahrbetriebes Kühlluft aus der Umgebung in die Blende. Das Abgasrohr ist von der Heckschürze gehalten. Die als Diffusorblende mit in rückwärtiger Richtung größer werdendem Strömungsquerschnitt ausgebildete, trichterähnliche Blende besteht ebenfalls aus Kunststoff.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, hohe Bauteiltemperaturen im Heckbereich des Landfahrzeuges zu verringern, bevorzugt zu vermeiden, insbesondere ein Verbrennen oder Schmelzen von Bauteilen im Heckbereich des Landfahrzeuges zu verhindern.
Die erfindungsgemäße Luftführung eines Landfahrzeuges mit einer Brennkraftmaschine zum Antrieb des Landfahrzeuges, mit einer Abgasanlage mit einem oder mehreren, insbesondere fahrzeugmittig angeordneten Abgasendrohren umfasst einen weitestgehend geschlossenen Kanal, mit dessen Hilfe ein gewisser Teil der unter dem Landfahrzeug, insbesondere bei dessen Fahrbetrieb, strömenden Luft im Bereich vor dem oder den Abgasendrohren am Unterboden des Landfahrzeugs aufgegriffen und um das oder die Abgasendrohre herumgeführt wird, um am Heck des Landfahrzeuges, insbesondere oberhalb des oder der Abgasendrohre als Luftstrahl, möglichst als scharfer und/oder geschwindigkeitsenergiereicher Luftstrahl wieder auszutreten. Dies bewirkt, dass eine anderenfalls unterhalb des oder der Abgasendrohre stattfindende Strömungsablösung am Heck des Landfahrzeuges erst oberhalb des oder der Abgasendrohre beginnt und die heißen Abgase, insbesondere der Abgasstrom oder der Abgasstrahl, aus der Abgasanlage außerhalb des Totwassergebietes oder Nachlaufgebietes hinter dem Landfahrzeug ausgeleitet werden.
Das Landfahrzeug ist bevorzugt ein Automobil, insbesondere ein für die Personenbeförderung ausgelegtes Landfahrzeug, bevorzugt ein gleisloses Landfahrzeug und/oder ein Radlandfahrzeug.
Eine bevorzugt bewirkte Konzentration des austretenden Luftmassenstromes auf den Bereich oberhalb des oder der Abgasendrohre kann durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung der Luftführung und/oder durch gezielte Schaffung von einem oder mehreren offenen beziehungsweise geschlossenen Austrittsquerschnitten bei den betroffenen, um das oder die Abgasendrohre herum angeordneten Komponenten, wie zum Bespiel Zierblenden oder Ziergittern, am Heck des Landfahrzeuges erfolgen. Konstruktive Maßnahmen zur thermischen Entkoppelung der Umgebungsteile von Heißbereichen können die Funktion der Luftführung unterstützen und/oder die Umgebungstemperatur senken. In konkreter Ausgestaltung können Abgasblenden doppelwandig oder luftspaltisoliert ausgeführt sein, sodass der heiße Abgasstrom vom kühlen Mantelstrom und den darüber befindlichen temperaturempfindlichen Karosserieteilen getrennt ist, wobei gleichzeitig eine optimale, insbesondere geometrisch optimale Luftführung unterstützt werden kann.
In bevorzugter Ausführung tritt weiterhin nicht der gesamte am Fahrzeugunterboden aufgegriffene Luftmassenstrom oberhalb des oder der Abgasendrohre aus dem Heck des Landfahrzeuges aus. Ein Teil der Luft tritt bevorzugt im gesamten Bereich, insbesondere im Winkelbereich um das oder die Abgasendrohre herum aus. Des Weiteren oder alternativ dazu kann auch eine Beimischung kühlerer Luft aus dem Luftmassenstrom zu den heißen Abgasen erfolgen oder bewirkt werden, um insgesamt eine Reduktion des Temperaturniveaus auf eine Mischungstemperatur oder eine mittlere Temperatur zu erreichen.
In einer Gruppe von Ausführungsformen gelangt eine Abgasblende zum Einsatz, welche geometrisch als eine Venturi-Düse ausgeführt ist und/oder einer Venturi-Düse entspricht, wobei die kinetische Energie des Abgasstromes für die Erzeugung eines Bernoulli-Effektes genutzt wird. In dem zwischen dem oder den Abgasendrohren und der Abgasblende befindlichen Kanal entsteht somit ein Unterdruckgebiet, welches den Luftmassenstrom im Luftleitkanal zusätzlich erhöht.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Luftführung kann eine Lippe, eine kleine Schaufel oder dergleichen, aus dem Fahrzeugboden herausgestellt werden. Auf diese Weise kann der Luftmassenstrom noch weiter erhöht werden.
Mit der erfindungsgemäßen Luftführung kann in vorteilhafter Weise ein Luftmassenstrom zu dem oder den Abgasendrohren geleitet werden. Bevorzugt ist der Luftmassenstrom auf den Bereich oberhalb des oder der Abgasendrohre konzentriert. Eine thermische Entkopplung der Bauteile im Heckbereich wird erreicht. Des Weiteren gelingt eine aerodynamisch günstige Gestaltung durch Form und/oder Anordnung.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Heckansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Landfahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Luftführung;
2 eine isometrische Ansicht der vorteilhaften Ausführungsform des Landfahrzeuges gemäß 1 von schräg unten;
3 eine Detailansicht der vorteilhaften Ausführungsform des Landfahrzeuges gemäß 1 von schräg hinten;
4 eine Schnittansicht der vorteilhaften Ausführungsform des Landfahrzeuges gemäß 1;
5 eine Darstellung der thermischen Entkopplung bei der vorteilhaften Ausführungsform des Landfahrzeuges gemäß 1.
Bei der in den 1 bis 5 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich um eine passive Lösung. Diese Ausführungsform kommt in vorteilhafter Weise mit nur wenigen, einfachen Komponenten und ohne bewegliche Teile aus.
In einer alternativen Gruppe von Ausführungsformen findet eine aktive Strömungsbeeinflussung statt. In einer konkreten Ausführungsform dieser Gruppe wird die Strömung durch gezieltes Ausblasen von Druckluft beeinflusst.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird nachstehend anhand der 1 bis 5 näher erläutert, die jeweils eine Luftführung 1 eines mit einer Brennkraftmaschine ausgestatteten Landfahrzeuges 2 zeigen. Durch eine an sich bekannte Abgasanlage 3 mit einem Abgasendrohr 4 im Bereich eines Hecks 5 des Landfahrzeuges 2 werden die gereinigten Abgase in die Umgebung abgeführt.
Wie insbesondere in 2 zu erkennen, hat das Landfahrzeug 2 einen strömungstechnisch optimierten Unterboden 6, welcher auch die Abgasanlage 3 einschließt, wobei die Abgasendrohre 4 in einem zentralen Bereich der Fahrzeuglängsachse angeordnet sind. Die Abgasanlage 3 ist abschnittsweise von einem konvexen Tunnel des Unterbodens 6 abgedeckt, welcher symmetrisch zur Fahrzeuglängsachse angeordnet ist und parallel hierzu beiderseits angeordnete Strömungsleitelemente aufweist. Somit ist lediglich der von einer Zierblende ausgesparte Endabschnitt der insgesamt vier Abgasendrohre 4 für den Betrachteter sichtbar, wie dies insbesondere in den 1 und 3 ersichtlich ist.
Zur Vermeidung einer unerwünschten Rückströmung 12 der Abgase in ein sogenanntes Totwasser- oder Rückströmungsgebiet, das sich dem Heck 5 des Landfahrzeuges 2 anschließt, ist das Landfahrzeug 2 mit der erfindungsgemäßen Luftführung 1 ausgestattet. Solche Rückströmungen führen beim Stand der Technik nicht nur zu unerwünschten Ablagerungen von Bestandteilen des Abgases im Umfeld der Abgasendrohre, sondern können aufgrund ihrer hohen Temperatur auch zu sichtbaren Beeinträchtigungen der Oberflächenbeschaffenheit der Karosserie im Bereich des Hecks 5 führen.
Die Luftführung 1 ist hierzu mit einem Lufteinlass 7 in dem Tunnel des Unterbodens 6 ausgestattet, welcher in Fahrtrichtung des Landfahrzeuges 2 vor den Abgasendrohren 4 angeordnet ist. Der Lufteinlass 7 ist an seiner einen Abrisskante 8 an der dem Heck 5 zugewandten, zu dieser beabstandeten Seite mit einer gegenüber dem Unterboden 6 nach unten vorspringend angeordneten, zu der Abrisskante 8 parallel orientierten Staulippe 9 begrenzt. Die Staulippe 9 ist insbesondere in Abhängigkeit der Fahrbedingungen einstellbar ausgeführt und kann von der dargestellten, etwa mit einem Winkel von 45° in Fahrtrichtung vorspringenden Arbeitsstellung, in eine mit dem Unterboden 6 fluchtende Ruhestellung bewegt werden, um so die in den Lufteinlass 7 abgelenkte Luftströmung zu steuern und den Luftmassenstrom einzustellen bzw. zu unterbrechen. Alternativ kann die Staulippe auch unbeweglich ausgeführt sein.
In der gezeigten Arbeitsstellung gelangt somit der maximale Luftmassenstrom in einen mit einem Winkel von ca. 45° nach oben gerichteten Kanal 10 der Luftführung 1, wie dies insbesondere in 4 erkennbar ist. Durch diesen im Wesentlichen geschlossenen Kanal 10 wird der zugeführte Luftmassenstrom den Abgasendrohren 4 zugeführt, indem sowohl ein Anteil des Luftmassenstromes oberhalb des jeweiligen Abgasendrohres 4 als auch ein weiterer Anteil unterhalb des jeweiligen Abgasendrohres 4 geführt wird. Diese Umströmung des jeweiligen Abgasendrohres 4 durch die zugeführte Luft wird dadurch begünstigt, dass das Abgasendrohr 4 als Rohrbogen ausgeführt ist mit einem vertikalen und einem horizontalen Schenkel.
Der erste Anteil der Luft tritt anschließend als möglichst scharfer bzw. energiereicher Luftstrahl 11 oberhalb des jeweiligen Abgasendrohres 4 am Heck 5 des Landfahrzeuges 2 in die Umgebung derart aus, dass die Strömungsablösung und damit die Rückströmung 12 am Heck 5 des Landfahrzeuges 2 erst oberhalb der Abgasendrohre 4 beginnt.
Um die hierzu erforderliche Luftströmung, insbesondere eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit unter den auftretenden Fahrbedingungen jederzeit sicherzustellen, hat die Luftführung 1 für die Konzentration des austretenden Luftmassenstromes zumindest eine zugleich auch als Gestaltungselement der Karosserie ausgeführte Komponente 13 mit einem an das jeweilige Abgasendrohr 4 angepassten, definierten Austrittsquerschnitt 15 bezogen auf den Umfang des jeweiligen Abgasendrohres 4. Diese Komponente 13 umfasst eine auch als Zierblende bezeichnete Abgasblende 14, die den gegenüber den zugeordneten zwei Abgasendrohren 4 erweiterten freien Austrittsquerschnitt 15 aufweist. Die Abgasblende 14 ist ihrerseits umfangsseitig von einem Ziergitter 16 eingefasst, welches die Abgasblende 14 mit der Abrisskante 8 sowie weiteren Karosserieelementen verbindet.
Wie insbesondere in den 3 bis 5 ersichtlich, ist der Bereich oberhalb der Abgasblende 14 durch einen Bereich des Kanals 10 begrenzt, an dessen Luftauslass 17 für eine weitere Strömungsoptimierung auf das Ziergitter 16 verzichtet wurde. Dieser Bereich des Kanals 10 ist als eine Venturi-Düse 18 ausgeführt, sodass die kinetische Energie des Abgasstromes für die Erzeugung eines Bernoulli-Effektes genutzt wird. In dem zwischen den Abgasendrohren 4 und der Abgasblende 14 befindlichen Bereich des Kanals 10 entsteht somit ein Unterdruckgebiet, welches den Luftmassenstrom im Luftleitkanal zusätzlich erhöht.
Weiterhin wird ein Teil der Luft aus dem Luftmassenstrom einer Mischungszone 19 zugeführt und zur Beimischung zu den heißen Abgasen genutzt, um so die Abgastemperatur zu senken.
Die Erfindung ermöglicht eine Luftführung unter Beibehaltung eines gewünschten, gewählten Heckdesigns. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Luftführung 1 dazu dienen, ein aus gestalterischen Gründen gewünschtes Design im Bereich des Hecks 5 des Landfahrzeuges 2 zu verwirklichen, welches bislang so nicht technisch umsetzbar war oder zu nachteiligen Effekten geführt hätte.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung die Umsetzung eines Abgasstromes oder Abgasstrahles mit maximierten Luftmassenströmen und Abgastemperaturen bei gleichzeitig technisch anspruchsvollem Fahrzeugdesign.
Bezugszeichenliste

1: Luftführung
2: Landfahrzeug
3: Abgasanlage
4: Abgasendrohr
5: Heck
6: Unterboden
7: Lufteinlass
8: Abrisskante
9: Staulippe
10: Kanal
11: Luftstrahl
12: Rückströmung
13: Komponente
14: Abgasblende
15: Austrittsquerschnitt
16: Ziergitter
17: Luftauslass
18: Venturi-Düse
19: Mischungszone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1022445 B1 [0007]
DE 10136350 B4 [0008]

Claims

Luftführung (1) eines Landfahrzeuges (2) mit einer Brennkraftmaschine zum Antrieb des Landfahrzeuges (2), mit einer Abgasanlage mit zumindest einem Abgasendrohr (4), wobei ein Teil der im Fahrbetrieb unter dem Landfahrzeug (2) strömenden Luft an einem Unterboden (6) des Landfahrzeuges (2) geführt wird, gekennzeichnet durch einen Kanal (10), durch den ein Teil der Luft im Bereich vor dem zumindest einen Abgasendrohr (4) an dem Unterboden (6) ablenkbar ist und dem zumindest einen Abgasendrohr (4) zuführbar ist, so dass die zugeführte Luft als Luftstrahl (11) an einem Heck (5) des Landfahrzeuges (2), insbesondere oberhalb des zumindest einen Abgasendrohres (4), austritt.
Luftführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrahl (11) derart an dem Heck (5) des Landfahrzeuges (2) austritt, dass die Strömungsablösung und/oder eine Rückströmung (12) des Abgases am Heck (5) des Landfahrzeuges (2) oberhalb des zumindest einen Abgasendrohres (4) beginnt.
Luftführung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführung (1) eine die Konzentration des austretenden Luftmassenstromes des Luftstrahles (11) auf den Bereich oberhalb des zumindest einen Abgasendrohres (4) bewirkende geometrische Ausgestaltung aufweist.
Luftführung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführung (1) für die Konzentration des austretenden Luftmassenstromes zumindest eine Komponente (13) mit einem oder mehreren offenen und/oder geschlossenen Austrittsquerschnitten (15) aufweist.
Luftführung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (13) als Zierblende, Ziergitter (16) oder Abgasblende (14) ausgeführt sind.
Luftführung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasblende (14) als eine Venturi-Düse (18) ausgeführt ist und/oder der Kanal (10) eine Venturi-Düse (18) aufweist.
Luftführung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Luft bevorzugt im gesamten Bereich, insbesondere im gesamten Winkelbereich, über den gesamten Umfang um das zumindest eine Abgasendrohr (4) herum austritt.
Luftführung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführung (1) eine Beimischung kühlerer Luft aus dem Luftmassenstrom zu den heißen Abgasen aufweist.
Luftführung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Unterboden (6) des Landfahrzeuges (2) eine Lippe, insbesondere eine Staulippe (9), eine Schaufel, eine Klappe oder dergleichen aus dem Unterboden (6) herausgestellt angeordnet ist.
Luftführung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Öffnen oder Schließen der Lippe, der Schaufel oder der Klappe die Luftzufuhr der Luftführung (1) zu- und abschaltbar ist.
Landfahrzeug (2), ausgestattet mit einer Luftführung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche.