DE102022205803A1

DE102022205803A1 - Zusatz-Wärmetauscheinheit für ein Leistungsaggregat eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022205803A1
Application number: DE102022205803.8A
Authority: DE
Inventors: Mathias Diedrich
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-12-14

Abstract

Um eine Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) für ein Leistungsaggregat (200) eines Kraftfahrzeugs (300) zu schaffen, ist eine Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) vorgeschlagen, bei welcher die Frontklappeneinheit (11) und der Strömungsregulierer (13) derart gekoppelt sind, dass der Wärmetauscher (10) aktiv von dem Kühlfluid durchströmbar ist, ausschließlich bei einem Volumenstrom von Fahrtwind (AS) über den Wärmetauscher (10) oberhalb eines vorbestimmten Zusatzgrenzwerts.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zusatz-Wärmetauscheinheit für ein Leistungsaggregat eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1, ein Thermo-Management-Modul für das Leistungsaggregat des Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren zum Steuern eines Wärmeübertragens gemäß Anspruch 12.
Es ist bekannt, dass ein Wärmetauscher beziehungsweise ein Thermo-Management-Modul in einem Kraftfahrzeug zum Kühlen von beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird. Weiterhin ist es bekannt, dass beispielsweise für eine Top-Motorisierung bei kompakten Fahrzeugen aufgrund diverser Anforderungen das Kühlerpaket in der vorderen Fahrzeugmitte nicht ausreicht, um die entstehende Wärme des Aggregates ohne Schädigung von Bauteilen zu kühlen. In der Regel werden dann weitere kleine Wärmetauscher, beispielsweise in den vorderen Radhäusern verbaut. Diese werden durch seitliche Öffnungen in der Fahrzeugfront mit Luft beaufschlagt. Diese seitlichen Öffnungen sind dauerhaft geöffnet und das Kühlmittel durchströmt auch dauerhaft die Radhaus-Wärmetauscher. Ersteres resultiert in einem schlechteren Wind-Widerstandsbeiwert und zweiteres in höheren kühlmittelseitigen Druckverlusten, weil eine Erhöhung der Pumpenleistung nötig ist und damit beispielsweise ein Stromverbrauch im Vergleich zu Fahrzeugen ohne die seitlichen Wärmetauscher steigt.
Beispielsweise ist aus der Zusammenfassung der DE 10 2015 103 393 A1 ein Kraftfahrzeug mit einstellbarem Wärmetauscherabluftpfad bekannt. Dort ist aus Absatz [0011] bekannt, einen zweiten Wärmetauscherabluftpfad als einen Abluftpfad in zumindest einem Radkasten oder in den Radkästen des Kraftfahrzeugs zu gestalten. Je nach Verhältnis der Durchströmung des ersten und des zweiten Wärmetauscherabluftpfads kann der Abtrieb und der Luftwiderstand eingestellt werden. Gemäß dortigem Absatz [0048] ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Durchströmung der Wärmetauscherabluftpfade steuerbar ist. Die Steuereinrichtung 20 kann dabei die Luftstromsteuerelemente zum Öffnen oder zum Schließen oder zum Einnehmen einer Zwischenstellung ansteuern. Gemäß Absatz [0052] können die Luftstromsteuerelemente beispielsweise als Klappen, Jalousien oder Schieber ausgebildet sein, und sie können in dem Luftkanal oder am Einlass des jeweiligen Luftkanals oder am Auslass des Luftkanals angeordnet sein, wie an der jeweiligen Auslassöffnung.
Weiterhin ist aus der Zusammenfassung der US 2020 / 0 086 734 A1 eine Fahrzeugfrontstruktur bekannt, wobei in Absatz [0051] ein Fahrzeug umfassend eine Fahrzeugkomponente beschrieben ist, die zumindest zeitweise gekühlt werden muss. Bei dem Fahrzeugbauteil handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine in der Frontstruktur 102 angeordnete Kühlvorrichtung 106. In dortigem Absatz [0053] ist erläutert, dass vor der Kühleinrichtung 110 in Fahrtrichtung des Fahrzeugs 100 eine Klappeneinheit 104 angeordnet ist, um den aus der Fahrtrichtung kommenden und der Kühleinrichtung 106 zugeführten Luftstrom zu steuern. Die Klappeneinheit 104 umfasst Klappen, die so angeordnet sind, dass sie den Luftstrom umleiten, beispielsweise den Luftstrom zur Kühleinrichtung 106 blockieren oder durchlassen, oder den Luftstrom zur Kühleinrichtung 106 kontinuierlich einstellen.
Ferner ist aus der Zusammenfassung der US 2011 / 0 251 761 A1 ein Verschlusssystem mit versetztem Jalousie-Drehpunkt bekannt, welches gemäß Absatz [0015] in ein Fahrzeug 30 eingebaut ist. Das Fahrzeug 30 enthält einen Verbrennungsmotor 34. Ebenfalls enthalten ist ein Luft/Flüssigkeit-Wärmetauscher 36, z. B. Wasser oder ein speziell formuliertes Kühlmittel, zur Kühlung des Motors 34. Der Wärmetauscher 36 ist hinter der Kühlergrillöffnung 32 und hinter dem Verschlusssystem 10 angeordnet, um den Wärmetauscher vor verschiedenen auf der Straße und in der Luft befindlichen Verunreinigungen zu schützen. Gemäß Absatz [0020] kann das Verschlusssystem 10 auch durch die Steuerung 46 reguliert werden, um den Zugang des entgegenkommenden Luftstroms X zum Wärmetauscher 36 variabel zu beschränken, indem die Lamellen 12A-C in eine Zwischenposition gedreht werden, in der die Lamellen teilweise geschlossen sind.
Der Erfindung liegt gegenüber vorbekannten Zusatz-Wärmetauscheinheiten die Aufgabe zugrunde, das folgende Problem mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln zu lösen: Verringern des Wind-Widerstandsbeiwerts und des Verbrauchs mittels Einführung einer bedarfsgerechten, steuerbaren Kühlung.
Gemäß Anspruch 1 wird die obige Aufgabe gelöst, indem die Frontklappeneinheit und der Strömungsregulierer derart gekoppelt sind, dass der Wärmetauscher aktiv von dem Kühlfluid ausschließlich durchströmbar ist, wenn ein Volumenstrom von Fahrtwind über den Wärmetauscher oberhalb eines vorbestimmten Zusatzgrenzwerts liegt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Zusatz-Wärmetauscheinheit für ein Leistungsaggregat eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, dabei umfasst das Kraftfahrzeug einen von Fahrtwind durchströmbaren Wärmetauscher zum Wärmeübertragen mit einem Kühlfluid, eine Frontklappeneinheit zum Regulieren eines Volumenstroms von Fahrtwind für den Wärmetauscher, eine Abluftöffnung zum Auslassen von Fahrtwind, welcher den Wärmetauscher durchströmt hat, und einen Strömungsregulierer für das Kühlfluid des Wärmetauschers.
Gemäß Anspruch 1 wird diese Aufgabe mit den nachfolgend genannten Merkmalen gelöst: Die Frontklappeneinheit und der Strömungsregulierer sind derart gekoppelt, dass der Wärmetauscher aktiv von dem Kühlfluid durchströmbar ist und ausschließlich bei einem Volumenstrom von Fahrtwind über den Wärmetauscher, welcher oberhalb eines vorbestimmten Zusatzgrenzwerts liegt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit wird das Kühlfluid mittels einer Pumpe gefördert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit ist die Pumpe und das Kühlfluid zugleich für ein Thermo-Management-Modul eingesetzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit ist der Strömungsregulierer von einem Ventil gebildet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit ist das Ventil ein aktiv steuerbares Wege-Ventil.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit ist die Frontklappeneinheit passiv von einer vorbestimmten Kraft des Fahrtwinds öffenbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit ist die Frontklappeneinheit einzig ab einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit geöffnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Zusatz-Wärmetauscheinheit ist der Strömungsregulierer für das Kühlfluid temperaturabhängig gesteuert, wobei ausschließlich oberhalb eines vorbestimmten Temperatur-Grenzwerts der Wärmetauscher von dem Kühlfluid aktiv durchströmbar ist.
Weiterhin ist gemäß Anspruch 9 die Aufgabe gelöst, indem ein Thermo-Management-Modul für ein Leistungsaggregat eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen ist, welches zumindest einen Hauptkühler zum Wärmeübertragen mittels eines Kühlfluids; eine Pumpe für ein Kühlfluid; und mindestens eine Zusatz-Wärmetauscheinheit umfasst, wobei eine Wärmeübertragungsleistung des Thermo-Management-Moduls mittels Aktivieren des Wärmetauschers der Zusatz-Wärmetauscheinheit zustandsabhängig steigerbar ist.
Weiterhin ist gemäß Anspruch 10 die Aufgabe gelöst, indem ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen ist, welches mindestens eine Antriebsmaschine, mindestens ein Rad, von welchen mindestens eines zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist, und ein Thermo-Management-Modul umfasst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftfahrzeugs ist der Wärmetauscher, der mindestens eine Zusatz-Wärmetauscheinheit umfasst, in einem vorderen Radhaus für ein Rad des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Weiterhin ist gemäß Anspruch 12 die Aufgabe gelöst, indem ein Verfahren zum Steuern eines Wärmeübertragens für das Thermo-Management-Modul vorgeschlagen ist, wobei die folgenden Schritte mit einer Steuereinheit ausführbar sind:

i) Erfassen eines Abwärmebedarfs;
ii) Erfassen eines Zustands der Frontklappeneinheit der Zusatz-Wärmetauscheinheit;
iii) wenn die Frontklappeneinheit geöffnet ist und ein Abwärmebedarf vorliegt, mittels des Strömungsregulierers Freigeben der Durchströmbarkeit des Wärmetauschers der Zusatz-Wärmetauscheinheit.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Zustand der Frontklappeneinheit durch zumindest einen der folgenden Parameter festgelegt:

- Temperatur im Vergleich zu einem vorbestimmten Temperatur-Grenzwert;
- Kraft des Fahrtwinds im Vergleich zu einem vorbestimmten Kraft-Grenzwert; und
- Fahrzeuggeschwindigkeit im Vergleich zu einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Grenzwert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Wärmetauscher der Zusatz-Wärmetauscheinheit ausschließlich von einem Kühlfluid durchströmt, wenn ein Volumenstrom des Fahrtwinds über dem Wärmetauscher der Zusatz-Wärmetauscheinheit größer ist als ein vorbestimmter Volumenstrom-Grenzwert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1: in schematischer seitlicher Schnittansicht einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeugs beim vorderen Radhaus mit geschlossener Frontklappeneinheit,
2: in schematischer seitlicher Schnittansicht einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeugs beim vorderen Radhaus mit offener Frontklappeneinheit,
3: in schematischer Draufsicht ein Thermo-Management-Modul mit Zusatz-Wärmetauscheinheit, und
4: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Wärmeübertragens.

1 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht einen Ausschnitt eines Kraftfahrzeugs 300 beim vorderen Radhaus 32 mit geschlossener Frontklappeneinheit 11. In dem vorderen Radhaus 32 befindet sich die Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 mit einem Wärmetauscher 10. Das Kraftfahrzeug 300 erfährt fahrend mit den Rädern 31 bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit VV in Fahrtrichtung DD einen Fahrtwind AS. In dem gezeigten Zustand ist die Frontklappeneinheit 11 geschlossen. Der Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 wird somit nicht beströmt. Aus der Abluftöffnung 14 tritt somit auch kein Volumenstrom von dem Fahrtwind AS aus. Der Wind-Widerstandsbeiwert ist damit gering im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Zustand.
Bei dieser Ausführungsform ist rein beispielhaft bei oder in der Frontklappeneinheit 11 ein Schalter 16 vorgesehen, mittels welchem ein Strömungsregulierer 13 aktivierbar und deaktivierbar ist. Ein solcher Strömungsregulierer 13 ist beispielsweise in 3 gezeigt. Wenn die Frontklappeneinheit 11 geöffnet wird oder erst wenn sie offen ist, wird der Strömungsregulierer 13 mittels des Schalters 16 aktiviert, also der Wärmetauscher 10 mit einem zirkulierbaren Kühlfluid beströmt.
Druckverluste in einem Thermo-Management-Modul 400 und dadurch auch die Pumpenleistung, beispielsweise der Stromverbrauch sinken in den Phasen ohne Anforderung an den mindestens einen seitlichen Wärmetauscher 10. Der Wind-Widerstandsbeiwert sinkt in den Phasen ohne Anforderung an den mindestens einen seitlichen Wärmetauscher 10. Der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid und der Energieverbrauch, beispielsweise Brennstoff für eine Verbrennungskraftmaschine, sinkt in den Phasen ohne Anforderung an den mindestens einen seitlichen Wärmetauscher 10.
In einer Ausführungsform ist ein solcher Radhaus-Wärmetauscher, bevorzugt inklusive Frontklappeneinheit 11 und Strömungsregulierer 13 auf beiden Seiten des Kraftfahrzeugs 300 vorgesehen.
Die Frontklappeneinheit 11 umfasst mindestens eine Klappe, beispielsweise mit einer Drehachse, wobei die Drehachse der Klappe in der Mitte, nach unten oder nach oben zur Mitte der jeweiligen Klappe versetzt angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist die Klappe federbelastet, sodass ein Verschließen bei unzureichender Windkraft oder im Gegenteil ein Verschließen auch bei hoher Windkraft sichergestellt ist. In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Klappe elektrisch, elektronisch, pneumatisch oder mechanisch gesteuert. In einer Ausführungsform ist eine offene Fahrzeugfront an der betreffenden Seite des Wärmetauschers 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 gebildet, wobei in Strömungsrichtung des Fahrtwinds AS dahinterliegend die Frontklappeneinheit 11 angeordnet ist, welche beispielsweise von einer Kühlerjalousie gebildet ist.
Der Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 ist einzig bei geöffneter Frontklappeneinheit 11 von Fahrtwind AS durchströmbar, also wird der Wärmetauscher 10 ausschließlich dann von dem kühlenden Fahrtwind AS durchströmt, wenn ein Fahrtwind AS anliegt und die Frontklappeneinheit 11 geöffnet ist. Dann ist grundsätzlich ein Wärmeübertragen mit einem in dem Wärmetauscher 10 zirkulierten Kühlfluid möglich und findet statt, wenn der Wärmetauscher 10 von dem Kühlfluid aktiv durchströmt wird. Eine aktive Durchströmung des Wärmetauschers 10 mit dem Kühlfluid findet nur dann statt, wenn eine Pumpe 21 das Kühlfluid fördert, also einen Differenzdruck in der entsprechenden (Zusatz-) Leitung 12 aufgebaut ist, und ein gegebenenfalls vorhandenes Ventil 15 geöffnet ist. Siehe dazu die schematische Darstellung eines Thermo-Management-Moduls 400 in 3.
Die Frontklappeneinheit 11 ist zum Regulieren eines Volumenstroms von Fahrtwind AS für den Wärmetauscher 10 eingerichtet. Ein Regulieren umfasst in einer einfachen Ausführungsform ausschließlich die Positionen offen und geschlossen. In einer anderen Ausführungsform ist zumindest eine Zwischenstellung einstellbar. Bevorzugt ist dann auch eine Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise ein Volumenstrom des Kühlfluids in dem Wärmetauscher 10, besonders bevorzugt angepasst an die Zwischenstellung der Frontklappeneinheit 11, veränderbar.
Die Abluftöffnung 14 ist zum Auslassen von eingelassenem Fahrtwind AS, also welcher den Wärmetauscher 10 durchströmt hat, eingerichtet. Die Abluftöffnung 14 ist in einer einfachen Ausführungsform dauerhaft offen. Die Abluftöffnung 14 ist bevorzugt angepasst an den maximal einlassbaren Volumenstrom ausgelegt, sodass ein möglichst widerstandsfreies Abströmen von dem eingelassenen Fahrtwind AS ermöglicht ist. Bevorzugt ist dabei die Geometrie und/oder Rotation des betreffenden vorderen Rads 31 berücksichtigt.
Der Strömungsregulierer 13 für das Kühlfluid des Wärmetauschers 10 ist von einem Ventil 15 und/oder einer Pumpe 21 gebildet. In einer Ausführungsform ist der Strömungsregulierer 13 eine separate (Zusatz-) Pumpe in einer Zusatzleitung 12 beziehungsweise in einem separaten Zusatzleitungssystem. Bevorzugt ist eine gemeinsame Pumpe 21 von einem Hauptleitungssystem zum Fördern des Kühlfluids vorgesehen, welches zudem zum Versorgen der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 ausgelegt ist. In diesem Fall ist bevorzugt der Strömungsregulierer 13 für den Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 von einem Ventil 15 gebildet, beispielsweise einem steuerbaren Wege-Ventil. Das Ventil 15 ist in einer besonders einfachen Ausführungsform ausschließlich zwischen den Positionen offen und geschlossen schaltbar. In einer anderen Ausführungsform ist zumindest eine Zwischenstellung einstellbar. Bevorzugt ist dann eine Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise ein Volumenstrom des Kühlfluids in dem Wärmetauscher 10 angepasst an die Zwischenstellung der Frontklappeneinheit 11 veränderbar.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Wärmetauscher 10 ausschließlich bei einem Volumenstrom von Fahrtwind AS über den Wärmetauscher 10 oberhalb eines vorbestimmten Zusatzgrenzwerts aktiv von dem Kühlfluid durchströmbar ist. Das bedeutet, dass der Strömungsregulierer 13 geschlossen oder deaktiviert ist, wenn der Volumenstrom von Fahrtwind AS über den Wärmetauscher 10 unterhalb des Zusatzgrenzwerts liegt oder gleich dem Zusatzgrenzwert ist. Der Zusatzgrenzwert ist beispielsweise derart festgelegt, dass das Hauptsystem zum Kühlen eines Leistungsaggregats 200 eines Kraftfahrzeugs 300 seine maximale Kühlleistung erreicht hat oder in dem Bereich seiner maximalen Kühlleistung betrieben ist, beispielsweise bei 5 %, bevorzugt 2 %, besonders bevorzugt 1 %, unterhalb seiner maximalen Kühlleistung.
In einer Ausführungsform ist der Zusatzgrenzwert zudem gestaffelt oder in einer Kurve ansteigend, sodass eine Volumenstromrate entsprechend einstellbar ist beziehungsweise in Abhängigkeit von dem aktuellen Zusatzgrenzwert eingestellt wird. Die Volumenstromrate ist in einer Ausführungsform sowohl für die Stellung der Frontklappeneinheit 11 als auch für den Strömungsregulierer 13 für das Kühlfluid einstellbar, bevorzugt aufeinander abgestimmt.
Das Kühlfluid ist in einer Ausführungsform Wasser beziehungsweise eine Mischung, beispielsweise eine Wasser-Glykol-Mischung, und bleibt bevorzugt in dem Wärmetauscher 10 und anderen Aggregaten sowie den Leitungen in der flüssigen Phase. In einer alternativen Ausführungsform ist das Kühlfluid gasförmig oder in bestimmten Abschnitten gasförmig und in den übrigen Abschnitten flüssig.
In einer Ausführungsform ist die Frontklappeneinheit 11 passiv von einer vorbestimmten Kraft des Fahrtwinds AS öffenbar. Dann ist also die Frontklappeneinheit 11 mittels einer Relativgeschwindigkeit gegenüber Luft geregelt. Alternativ oder zusätzlich ist die Frontklappeneinheit 11 beziehungsweise ihr Öffnungszustand aktiv geregelt, beispielsweise elektronisch beziehungsweise elektro-mechanisch, abhängig von einer Geschwindigkeit des Fahrtwinds AS.
In einer Ausführungsform ist die Frontklappeneinheit 11 einzig ab einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit VV geöffnet. Dann ist also die Frontklappeneinheit 11 mittels einer Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Grund geregelt. Dann ist die Frontklappeneinheit 11 beziehungsweise ihr Öffnungszustand aktiv geregelt, beispielsweise elektronisch beziehungsweise elektro-mechanisch, abhängig von einer Fahrzeuggeschwindigkeit VV des Kraftfahrzeugs 300 beziehungsweise der Drehzahl zumindest eines der Räder 31.
In einer Ausführungsform ist der Strömungsregulierer 13 für das Kühlfluid temperaturabhängig gesteuert, wobei ausschließlich oberhalb eines vorbestimmten Temperatur-Grenzwerts der Wärmetauscher 10 von dem Kühlfluid aktiv durchströmbar ist. In einer Ausführungsform ist ein Temperatursensor 17 hinter der Frontklappeneinheit 11 angeordnet, und somit wird indirekt der Zustand der Frontklappeneinheit 11 erfasst, wie beispielsweise in 3 dargestellt. In einer Ausführungsform wird die Temperatur des mindestens einen Leistungsaggregats 200 erfasst und damit der Bedarf einer erhöhten Kühlleistung festgestellt und daraufhin die Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 aktiviert. Somit ist auch ein Zustand möglich, in welchem die Frontklappeneinheit 11 geöffnet ist, aber derzeit kein Kühlfluid durch den Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 strömt. Bevorzugt ist die Frontklappeneinheit 11 ausschließlich dann geöffnet, wenn auch der Wärmetauscher 10 von dem Kühlfluid durchströmt wird beziehungsweise eine solche Durchströmung des Wärmetauschers 10 geplant oder veranlasst ist. Beispielsweise ist es vorteilhaft, das Durchströmen zu verzögern und somit das in dem Wärmetauscher 10 stehende Kühlfluid weiter abzukühlen, als dies in einem strömenden Betrieb möglich ist, sodass mit dem verzögernd einsetzenden Durchströmen und damit Fördern des Kühlfluids hin zu dem zu kühlenden Leistungsaggregat 200 ein erster schneller zusätzlicher Kühlungseffekt erzielt wird.
2 zeigt den gleichen Ausschnitt eines fahrenden Kraftfahrzeugs 300, wie er in 1 gezeigt ist. In dem hier gezeigten Zustand ist die Frontklappeneinheit 11 offen. Der Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 wird somit von einem Volumenstrom des Fahrtwinds AS beströmt. Aus der Abluftöffnung 14 tritt somit ein entsprechender Volumenstrom aus. Der Wind-Widerstandsbeiwert ist damit erhöht im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Zustand. Jedoch ist hiermit eben Abwärme effizient abführbar.
Bei dieser Ausführungsform ist rein beispielhaft hinter der Frontklappeneinheit 11, alternativ davor oder in der gleichen Ebene, ein Volumenstromsensor vorgesehen, beispielsweise ein Anemometer, ein Prandtl-Rohr oder ähnliches. Damit ist ein wie beispielsweise in 3 gezeigter Strömungsregulierer 13 aktivierbar und deaktivierbar. Wenn die Frontklappeneinheit 11 offen ist, wird mittels des Volumenstromsensors der Strömungsregulierer 13 aktiviert, also der Wärmetauscher 10 mit einem zirkulierbaren Kühlfluid beströmt.
Die Klappen der Frontklappeneinheit 11 werden mechanisch, elektrisch, pneumatisch und/oder hydraulisch geöffnet und geschlossen. Bei einem mechanischen Öffnen ist beispielsweise eine definierte Federkraft der Kraft des Fahrtwinds AS auf die Frontklappeneinheit 11 beziehungsweise eine einzelne Klappe davon dauerhaft ausgeübt. Diese definierte Federkraft wird von dem Fahrtwind AS ab einer vorbestimmten RelativGeschwindigkeit des Kraftfahrzeug 300 gegenüber der Luft beziehungsweise dem Wind überwunden und damit die Frontklappeneinheit 11 geöffnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Wärmetauscher 10 mit einem Ventil 15 am Abzweig zum vorderen Radhaus 32 an- und ausschaltbar verbunden. Zudem ist die Fahrzeugfront mittels der Frontklappeneinheit 11 mit mindestens einer Klappe zum Öffnen des Luftkanals versehen. Damit ist auch das Beströmen des Wärmetauschers 10 in dem vorderen Radhaus 32 mit dem Fahrtwind AS an- und ausschaltbar.
3 zeigt in schematischer Draufsicht ein Thermo-Management-Modul 400 mit Zusatz-Wärmetauscheinheit 100. Rechts in der Darstellung ist ein Leistungsaggregat 200, beispielsweise eine Antriebsmaschine 30 für ein Kraftfahrzeug 300, gezeigt. Links daneben ist eine Pumpe 21 gemeinsam mit hier einer optional integrierten Steuereinheit 22 gezeigt. Die Pumpe 21 ist zum Fördern eines Kühlfluids in der Hauptleitung 23 des Thermo-Management-Moduls 400 eingerichtet. Damit ist das Kühlfluid durch den Hauptkühler 20 zirkulierbar, um die Abwärme des Leistungsaggregats 200 abzuführen. Hier ist weiterhin eine Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 mit einem weiteren Wärmetauscher 10 vorgesehen, welcher über eine hier beispielsweise abgezweigte Zusatzleitung 12 mit dem Kühlfluid versorgbar ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Zusatzleitung 12 sperrbar mittels eines Strömungsregulierers 13, welcher hier als Ventil 15 ausgeführt ist. Beispielsweise wird dieses Ventil 15 mittels eines elektronischen Signals ausgelöst von einer Überschreitung eines Temperatur-Grenzwerts, was mittels eines Temperatursensors 17 erfasst worden ist, von der Steuereinheit 22 geöffnet beziehungsweise geschlossen.
Der Hauptkühler 20 ist zum Wärmeübertragen mittels eines Kühlfluids, und zwar bevorzugt einem gleichartigen Kühlfluid wie zuvor beschrieben, besonders bevorzugt desselben Kühlfluids, welches in einem gemeinsamen Leitungssystem geführt ist. Das Leitungssystem umfasst dazu mindestens eine Hauptleitung 23 und mindestens eine Zusatzleitung 12 für die mindestens eine Zusatz-Wärmetauscheinheit 100. Die Hauptleitung 23 ist im Betrieb des Thermo-Management-Moduls 400 dauerhaft beziehungsweise mit einem geregeltem Volumenstrom mit dem Kühlfluid beströmt.
Die Pumpe 21 des Thermo-Management-Moduls 400 ist gesondert für die Hauptleitung 23 und den Hauptkühler 20 eingerichtet oder für einige oder alle Komponenten des Thermo-Management-Moduls 400 als eine gemeinsame Pumpe 21 eingerichtet, um ein Kühlfluid in den Leitungen und die entsprechenden Komponenten des Thermo-Management-Moduls 400 zu fördern.
Das Thermo-Management-Modul 400 umfasst eine Zusatz-Wärmetauscheinheit 100, bevorzugt zwei für jeweils eines der vorderen Radhäuser 32. In einer Ausführungsform sind die einzelnen Zusatz-Wärmetauscheinheiten 100 einzeln, alternativ ausschließlich gemeinsam, zu- und abschaltbar.
Die Wärmeübertragungsleistung des Thermo-Management-Moduls 400 ist mittels Aktivieren des mindestens einen Wärmetauschers 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 zustandsabhängig steigerbar. Der vorgebende Zustand für eine Steigerung der Wärmeübertragungsleistung ist zum einen ein Abwärmebedarf des mindestens einen Leistungsaggregats 200, welches zu kühlen ist. Zum anderen ist es der Zustand der Frontklappeneinheit 11, nämlich, ob diese offen oder geschlossen ist. Beispielsweise wenn die Frontklappeneinheit 11 geschlossen ist, wird bevorzugt die Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 nicht aktiviert. Beispielsweise, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VV des Kraftfahrzeugs 300 zu gering ist und/oder des Fahrtwinds AS zu gering ist, wird bevorzugt die Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 nicht aktiviert. Beispielsweise, wenn die Temperatur des Fahrtwinds AS zu hoch ist beziehungsweise der Temperaturgardient zwischen der Temperatur des Fahrtwinds AS und dem Kühlfluid zu gering ist, wird bevorzugt die Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 nicht aktiviert. Umgekehrt wird in einer Ausführungsform die Frontklappeneinheit 11 aktiv geöffnet, wenn ein Abwärmebedarf besteht, und dann zudem die mindestens eine Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 beziehungsweise deren Wärmetauscher 400 aktiviert, also mit Kühlfluid aktiv beströmt.
Im Einsatz in einem Kraftfahrzeug 300 ist die mindestens eine Antriebsmaschine 30 ein mittels des Thermo-Management-Moduls 400 zu kühlendes Leistungsaggregat 200. Ergänzend oder alternativ ist eine Traktionsbatterie ein zu kühlendes Leistungsaggregat 200 des Kraftfahrzeugs 300. Weitere zu kühlende Leistungsaggregate 200 sind beispielsweise von einem Getriebe umfasst. Alternativ oder zusätzlich ist für jeweils ein Leistungsaggregat 200 ein separates Thermo-Management-Modul 400 vorgesehen.
Ein Kraftfahrzeug 300 umfasst meist vier Räder 31, von denen zwei oder alle zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs 300 eingerichtet und zu diesem Zweck mit der mindestens einen Antriebsmaschine 30 beziehungsweise mit einer von mehreren Antriebsmaschinen 30 des Kraftfahrzeugs 300 drehmomentübertragend verbunden sind.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Wärmeübertragens. Es wird im Folgenden rein beispielhaft auf die Ausführungsformen gemäß den vorangehenden 1 bis 3 Bezug genommen. In diesem Ablauf wird zunächst, gegebenenfalls zeitgleich mit oder nach Schritt ii), in Schritt i) ein Abwärmebedarf festgestellt, wobei dieser oftmals dauerhaft während der Fahrt eines Kraftfahrzeugs 300 vorliegt. Gegebenenfalls wird auch eine Höhe eines Abwärmebedarfs festgestellt und bei Überschreiten eines vorbestimmten Abwärmebedarf-Grenzwerts der Bedarf einer Kühlung mittels mindestens einer Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 festgestellt. In einer Ausführungsform öffnet die mindestens eine Klappe der Frontklappeneinheit 11 durch eine vorbestimmte Kraft, also infolge eines Überschreitens eines vorbestimmten Kraft-Grenzwerts, in Folge der Fahrzeuggeschwindigkeit VV. Ein Temperatursensor 17 erkennt in Schritt ii) eine daraus resultierende Temperatur-Absenkung und aktiviert bei Unterschreiten eines vorbestimmten Temperatur-Grenzwerts, beispielsweise über eine elektrische Verbindung, den Strömungsregulierer 13. Alternativ oder zusätzlich wird von mindestens einer der Klappen ab einer vorbestimmten Winkelstellung ein Schalter 16, beispielsweise ein Mikroschalter, betätigt. Alternativ oder zusätzlich wird mittels eines Strömungsgeschwindigkeitssensors 18, beispielsweise eines Anemometers oder eines Prandtl-Rohrs, oder ähnlichem, das Überschreiten eines Volumenstrom-Grenzwerts erfasst. Beispielsweise wird daraufhin ein Ventil 15, bevorzugt ein Wege-Ventil, geöffnet. Alternativ oder zusätzlich wird eine, beispielsweise separate, Pumpe 21 für das Fördern des Kühlfluids durch die Zusatzleitung 12 aktiviert. Nun strömt in Schritt iii) das zirkulierbare Kühlfluid durch den Wärmetauscher 10 in dem vorderen Radhaus 32. Der Fahrtwind AS kühlt das Kühlfluid über diesen zusätzlichen Wärmetauscher 10, welcher in Reihe oder parallel zu dem Hauptkühler 20 geschaltet ist. Der Hauptkühler 20 befindet sich beispielsweise in der Fahrzeugfront in der Fahrzeugmitte. Der zusätzliche Wärmetauscher 10 ist also ausschließlich während des geöffneten Ventils 15 durchströmt.
In einer Ausführungsform wird Schritt i) ausgeführt, ausschließlich auf Schritt ii) hin, also wenn erfasst wird, dass die Frontklappeneinheit 11 geöffnet ist. Alternativ wird im Gegenteil Schritt ii) ausgeführt, ausschließlich auf Schritt i) hin, also wenn erfasst wird, dass ein Abwärmebedarf vorliegt. Daraufhin wird die Frontklappeneinheit 11 geöffnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist der Zustand der Frontklappeneinheit 11 festgelegt von einer Temperatur im Vergleich zu einem vorbestimmten Temperatur-Grenzwert. Die erfasste Temperatur ist dabei die Temperatur des Fahrtwinds AS und/oder des Kühlfluids. Letzteres ist auch mit einem Abwärmebedarf gleichzusetzen. Ersteres erlaubt unter Umständen eine Bestimmung eines Volumenstroms des Fahrtwinds AS durch das vordere Radhaus 32 eines Kraftfahrzeugs 300, also ob oder wie weit die Frontklappeneinheit 11 geöffnet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist der Zustand der Frontklappeneinheit 11 festgelegt von einer Kraft des Fahrtwinds AS im Vergleich zu einem vorbestimmten Kraft-Grenzwert. Beispielsweise ist hierzu eine Vorspannung an zumindest einer der Klappen der Frontklappeneinheit 11 vorgehalten, welche ab einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit des Fahrtwinds AS überwunden und somit die Frontklappeneinheit 11 passiv geöffnet wird. Alternativ wird ein Kraftsensor von dem Fahrtwind AS betätigt und damit die Frontklappeneinheit 11 aktiv auf ein entsprechendes Signal hin geöffnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist der Zustand der Frontklappeneinheit 11 festgelegt von einer Fahrzeuggeschwindigkeit VV im Vergleich zu einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Grenzwert. Bevorzugt ist der Geschwindigkeits-Grenzwert gegenüber Grund festgelegt entsprechend einer gewünschten Geschwindigkeit gegenüber Luft, beispielsweise unter der Annahme von beziehungsweise bei Windstille identisch dazu.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 von einem Kühlfluid ausschließlich dann durchströmt, wenn ein Volumenstrom des Fahrtwinds AS über dem Wärmetauscher 10 der Zusatz-Wärmetauscheinheit 100 größer ist als ein vorbestimmter Volumenstrom-Grenzwert. Dazu ist bevorzugt ein Strömungsgeschwindigkeitssensor 18 vorgesehen. Alternativ wird in diesem Zusammenhang ein Überschreiten des Volumenstrom-Grenzwerts schon dann angenommen, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit VV entsprechend ist.
Bezugszeichenliste

100: Zusatz-Wärmetauscheinheit
200: Leistungsaggregat
300: Kraftfahrzeug
400: Thermo-Management-Modul
10: Wärmetauscher
11: Frontklappeneinheit
12: Zusatzleitung
13: Strömungsregulierer
14: Abluftöffnung
15: Ventil
16: Schalter
17: Temperatursensor
18: Strömungsgeschwindigkeitssensor
20: Hauptkühler
21: Pumpe
22: Steuereinheit
23: Hauptleitung
30: Antriebsmaschine
31: Rad
32: vorderes Radhaus
AS: Fahrtwind
DD: Fahrtrichtung
VV: Fahrzeuggeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015103393 A1 [0003]

Claims

Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) für ein Leistungsaggregat (200) eines Kraftfahrzeugs (300), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - einen von Fahrtwind (AS) durchströmbaren Wärmetauscher (10) zum Wärmeübertragen mit einem Kühlfluid; - eine Frontklappeneinheit (11) zum Regulieren eines Volumenstroms von Fahrtwind (AS) für den Wärmetauscher (10); - eine Abluftöffnung (14) zum Auslassen von Fahrtwind (AS), welcher den Wärmetauscher (10) durchströmt hat; und - einen Strömungsregulierer (13) für das Kühlfluid des Wärmetauschers (10) , dadurch gekennzeichnet, dass die Frontklappeneinheit (11) und der Strömungsregulierer (13) derart gekoppelt sind, dass der Wärmetauscher (10) aktiv von dem Kühlfluid durchströmbar ist, ausschließlich bei einem Volumenstrom von Fahrtwind (AS) über den Wärmetauscher (10) oberhalb eines vorbestimmten Zusatzgrenzwerts.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid mittels einer Pumpe (21) gefördert wird.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach Anspruch 2, wobei die Pumpe (21) und das Kühlfluid zugleich für ein Thermo-Management-Modul (400) eingesetzt ist.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungsregulierer (13) von einem Ventil (15) gebildet ist.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach Anspruch 4, wobei das Ventil (15) ein aktiv steuerbares Wege-Ventil ist.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frontklappeneinheit (11) passiv von einer vorbestimmten Kraft des Fahrtwinds (AS) öffenbar ist.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frontklappeneinheit (11) einzig ab einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit (VV) geöffnet ist.
Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungsregulierer (13) für das Kühlfluid temperaturabhängig gesteuert ist, wobei ausschließlich oberhalb eines vorbestimmten Temperatur-Grenzwerts der Wärmetauscher (10) von dem Kühlfluid aktiv durchströmbar ist.
Thermo-Management-Modul (400) für ein Leistungsaggregat (200) eines Kraftfahrzeugs (300), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - einen Hauptkühler (20) zum Wärmeübertragen mittels eines Kühlfluids; - eine Pumpe (21) für ein Kühlfluid; und - mindestens eine Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Wärmeübertragungsleistung des Thermo-Management-Moduls (400) mittels Aktivieren des Wärmetauschers (10) der Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) zustandsabhängig steigerbar ist.
Kraftfahrzeug (300), aufweisend mindestens eine Antriebsmaschine (30), mindestens ein Rad (31), von welchen mindestens eines zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (300) eingerichtet ist, und ein Thermo-Management-Modul (400) nach Anspruch 9.
Kraftfahrzeug (300) nach Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher (10) der mindestens einen Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) in einem vorderen Radhaus (32) für ein Rad (31) des Kraftfahrzeugs (300) angeordnet ist.
Verfahren zum Steuern eines Wärmeübertragens für ein Thermo-Management-Modul (400) nach Anspruch 9, aufweisend die folgenden Schritte mit einer Steuereinheit (22): i) Erfassen eines Abwärmebedarfs; ii) Erfassen eines Zustands der Frontklappeneinheit (11) der Zusatz-Wärmetauscheinheit (100); iii) wenn die Frontklappeneinheit (11) geöffnet ist und ein Abwärmebedarf vorliegt, mittels des Strömungsregulierers (13) Freigeben der Durchströmbarkeit des Wärmetauschers (10) der Zusatz-Wärmetauscheinheit (100).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Zustand der Frontklappeneinheit (11) durch zumindest einen der folgenden Parameter festgelegt ist: - Temperatur im Vergleich zu einem vorbestimmten Temperatur-Grenzwert; - Kraft des Fahrtwinds (AS) im Vergleich zu einem vorbestimmten Kraft-Grenzwert; und - Fahrzeuggeschwindigkeit (VV) im Vergleich zu einem vorbestimmten Geschwindigkeits-Grenzwert.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Wärmetauscher (10) der Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) von einem Kühlfluid durchströmt wird, ausschließlich wenn ein Volumenstrom des Fahrtwinds (AS) über dem Wärmetauscher (10) der Zusatz-Wärmetauscheinheit (100) größer ist als ein vorbestimmte Volumenstrom-Grenzwert.