-
TECHNISCHES GEBIET
-
Dieses Dokument bezieht sich allgemein auf das technische Gebiet der Fahrzeugausstattung und insbesondere auf eine Luftstromoptimierungsvorrichtung für eine gleichmäßigeres Verteilen des Luftstroms durch Wärmetauscher in Kraftfahrzeugen.
-
HINTERGRUND
-
Die gleichmäßige und konstante Verteilung des Luftstroms zwischen einer Grillfront und den Wärmetauschern eines Kraftfahrzeugs kann durch Fahrzeugkomponenten, die sich in diesem Luftstrom befinden, negativ beeinflusst und sogar unterbrochen werden. Solche Komponenten können den Stoßfängerträger, und die Stoßfängeraufhängungen, das radargesteuerte Tempomatmodul, das Frontkameramodul und dergleichen umfassen. Darüber hinaus kann der Luftstrom durch Lücken im Packaging umgeleitet werden: Das heißt, durch Lücken zwischen den drei Hauptwärmetauschern, die den Kühler, den Zwischenkühler und den Kondensator umfassen. Als Konsequenz hieraus können einige Bereiche der Wärmetauscher einem hohen Luftstrom ausgesetzt sein, während andere Bereiche einem niedrigen Luftstrom ausgesetzt sind. Dies führt zu ungleichmäßiger Temperaturverteilung im betroffenen Wärmetauscherblock. Unter bestimmten Umständen wird durch diese Ungleichmäßigkeit der Wärmetauscherblock unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer unterschiedlichen Temperaturverteilung in den Wärmetauscherleitungen ausgesetzt, was die Lebensdauer des Wärmetauschers negativ beeinflussen kann.
-
Dieses Dokument bezieht sich auf eine Luftstromoptimierungsvorrichtung, die relativ kostengünstig produziert werden kann und relativ wenig Gewicht hat; sie verteilt den Luftstrom durch die Wärmetauscher gleichmäßiger und gestattet diesen Wärmetauschern effektiver zu arbeiten, bei höheren Effizienz. Vorteilhafterweise bewirkt die Luftstromoptimierungsvorrichtung auch eine Minimierung der Einflüsse durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und ungleichmäßige Temperaturverteilung in den Wärmetauscherleitungen und verlängert so die Lebensdauer der Wärmetauscher.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Gemäß den hier beschriebenen Zwecken und Vorteilen wird eine aerodynamische Luftstromoptimierungsvorrichtung durch Wärmetauscher bereitgestellt. Diese Vorrichtung umfasst einen Körper mit einer ersten Luftstromöffnung, die eine Einlassseite und eine Auslassseite hat, und die eine Reihe von feststehenden Lamellen bereitstellt, die quer über die Öffnung bereitgestellt sind und die Öffnung in mehrere Luftstromkanäle teilen. In einer möglichen Ausführungsform verlaufen die feststehenden Lamellen zumindest teilweise von der Einlassseite zur Auslassseite über den Körper. In einer möglichen Ausführungsform beinhaltet der Körper einen ersten Begrenzungsrahmen rund um die erste Öffnung. In einer möglichen Ausführungsform verläuft ein Dichtungselement rund um die erste Begrenzung und ragt von der Einlassseite weg nach vorne.
-
In einer möglichen Ausführungsform beinhaltet der Körper weiterhin eine zweite Luftstromöffnung. Eine zweite Reihe von feststehenden Lamellen wird quer über diese zweite Öffnung bereitgestellt und unterteilt die zweite Öffnung in eine zweite Gruppe von mehreren Luftstromkanälen.
-
In dieser Ausführungsform beinhaltet der Körper auch eine zweite Begrenzung rund um die zweite Öffnung. Ein zweites Dichtungselement verläuft rund um die zweite Begrenzung und ragt von der Einlassseite weg nach vorne. Zusätzlich beinhaltet das Gehäuse eine gerippte Platte, die den ersten und den zweiten Begrenzungsrahmen verbindet.
-
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung hat jeder der mehreren Luftstromkanäle eine Querschnittsfläche von zwischen etwa 4300 mm2 und etwa 5450 mm2. In einer anderen möglichen Ausführungsform hat jeder Luftstromkanal der mehreren Kanäle eine Querschnittsfläche von zwischen etwa 4700 mm2 und etwa 5050 mm2.
-
In einer möglichen Ausführungsform ist die zweite Luftstromöffnung unterhalb und teilweise versetzt zu der ersten Luftstromöffnung. Darüber hinaus ist in einer möglichen Ausführungsform das Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der ersten Luftstromöffnung und der Gesamtquerschnittsfläche der zweiten Luftstromöffnung zwischen etwa 1,32 zu 1 und etwa 1,25 zu 1.
-
In der folgenden Beschreibung sind mehrere bevorzugte Ausführungsformen der Luftstromoptimierungsvorrichtung gezeigt und beschrieben. Wie zu erkennen sein sollte, sind weitere unterschiedliche Ausführungsformen der Luftstromoptimierungsvorrichtung möglich, und ihre mehreren Details sind in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifizierbar, ohne von der Vorrichtung, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt und beschrieben ist, abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als beispielhaft und nicht als einschränkend zu verstehen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
-
Die Patent- oder Anmeldungsakte enthält mindestens eine farbig ausgeführte Zeichnung. Kopien dieses Patents oder der Patentanmeldungspublikation mit Zeichnung(en) in Farbe werden durch das Büro auf Anfrage und nach Zahlung der erforderlichen Gebühr zur Verfügung gestellt.
-
Die beigefügten Zeichnungsfiguren, die hier aufgenommen werden und Teil der Beschreibung sind, stellen mehrere Aspekte der Luftstromoptimierungsvorrichtung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, bestimmte Prinzipien derselben zu erläutern. In den Zeichnungsfiguren ist/sind:
-
1 eine perspektivische Ansicht der Luftstromoptimierungsvorrichtung.
-
2 eine Seitenansicht von links der in 1 dargestellten Luftstromoptimierungsvorrichtung.
-
3 eine weitere perspektivische Ansicht zur Darstellung der Luftstromoptimierungsvorrichtung aus 1, die am Fahrzeugrahmen vor den verschiedenen Wärmetauschern des Kraftfahrzeugs befestigt ist.
-
Die 4a und 4b farbige Darstellungen von Analysen der numerischen Strömungsmechanik und Wärmebilder eines Fahrzeugs ohne Luftstromoptimierungsvorrichtung und mit Luftstromoptimierungsvorrichtung.
-
5 ist eine vergleichende farbige Darstellung des Einflusses der aerodynamischen Vorrichtung auf den Kondensatorblock.
-
6 ist eine vergleichende farbige Darstellung des Einflusses der aerodynamischen Vorrichtung auf den Kühlerblock.
-
Jetzt wird ausführlich Bezug genommen auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Luftstromoptimierungsvorrichtung, von welcher Beispiele in den beigefügten Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Nun wird Bezug genommen auf die 1–3, welche die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 darstellen, die eine gleichmäßigere und konstantere Verteilung der Luft zu den Wärmetauschern des Kraftfahrzeugs einschließlich, zum Beispiel zum Kühler 12, zum Zwischenkühler 14 und zum Kondensator 16, bietet. Wie dargestellt, beinhaltet die Vorrichtung 10 einen Körper 18 mit einer ersten Luftstromöffnung 20. Die Luftstromöffnung 20 hat eine Eingangs- oder Einlassseite 22 und eine Ausgangs- oder Auslassseite 24. Eine Reihe von feststehenden Lamellen 26 wird quer über die Öffnung 20 bereitgestellt und unterteilt die Öffnung in mehrere Luftstromkanäle 28. Die feststehenden Lamellen 26 verlaufen zumindest teilweise von der Einlassseite 22 zur Auslassseite 24 quer über den Körper 18. In einer möglichen Ausführungsform verlaufen die Lamellen 26 die ganze Strecke quer zwischen der Einlassseite 22 und der Auslassseite 24.
-
Wie weiter dargestellt, beinhaltet der Körper 18 eine erste Begrenzung 30, die rund um die erste Öffnung 20 verläuft. Ein Dichtungselement 32 verläuft rund um die erste Begrenzung 30 und ragt von der Einlassseite 22 weg nach vorne.
-
Wie weiter in den 1–3 dargestellt, beinhaltet der Körper 18 eine zweite Luftstromöffnung 34. Eine zweite Reihe von feststehenden Lamellen 36 wird quer über die zweite Öffnung bereitgestellt und unterteilt die zweite Öffnung in mehrere Luftstromkanäle 38.
-
Weiterhin beinhaltet der Körper 18 eine zweite Begrenzung 40, die sich rund um die zweite Öffnung 34 erstreckt und von der Einlassseite 42 dieser Öffnung 34 weg nach vorne ragt. Ein zweites Dichtungselement 44 verläuft rund um die zweite Begrenzung 40 und ragt von der Einlassseite 42 weg nach vorne. Sowohl das Dichtungselement 32, als auch das Dichtungselement 44 können, wenn gewünscht, durch Zweikomponentenspritzgusstechnologie integral geformt werden.
-
Der Körper 18 beinhaltet auch eine gerippte Platte 46, welche den ersten und zweiten Begrenzungsrahmen 30, 40 verbindet. Die Rippen 48 erhöhen die Festigkeit der Platte 46 und können so ausgerichtet sein, dass sie den Luftstrom zu den Luftstromkanälen 28, 38 leiten, welche diesen Luftstrom dann über die verschiedenen Wärmetauscher 12, 14 und 16 verteilen.
-
Im Einsatz ist die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 durch geeignete Verbindungselemente am Rahmen B des Fahrzeugs V befestigt, sodass die Vorrichtung zwischen den Wärmetauschern, wie zum Beispiel dem Kühler 12, Zwischenkühler 14 und Kondensator 16 und der Fahrzeugfront, die hier aus Gründen der Klarheit entfernt wurde, positioniert ist (siehe 3). Es ist darauf hinzuweisen, dass die Dichtungselemente 32, 44 dazu dienen, die durch die Frontschürze strömende Luft zu kanalisieren und in die erste Öffnung 20 und die zweite Öffnung 30 zu leiten, sodass die Lamellen 26, 36 und die sich daraus ergebenden Luftstromkanäle 28, 30 den Luftstrom gleichmäßiger und konstanter durch den Kühler 12, Zwischenkühler 14 und Kondensator 16 für effektivere und effizientere Kühlung verteilen können.
-
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung hat jeder der Luftstromkanäle 28, 38 der mehreren Luftstromkanäle eine Querschnittsfläche von zwischen etwa 4300 mm2 und etwa 5450 mm2. In einer anderen möglichen Ausführungsform hat jeder Luftstromkanal der mehreren Luftstromkanäle eine Querschnittsfläche von zwischen etwa 4700 mm2 und etwa 5050 mm2. In einer möglichen Ausführungsform ist ein Verhältnis zwischen der Gesamtquerschnittsfläche der ersten Luftstromöffnung 20 und der Gesamtquerschnittsfläche der zweiten Luftstromöffnung 34 zwischen etwa 1,32 zu 1 und etwa 1,25 zu 1. Darüber hinaus ist in der dargestellten Ausführungsform die zweite Luftstromöffnung 34 unterhalb und teilweise versetzt zu der ersten Luftstromöffnung 20.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass dieses Dokument auch ein System zur Luftstromoptimierung für ein Kraftfahrzeug beschreibt, das einen Wärmetauscher 12, 14 und/oder 16 und die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 beinhaltet. Darüber hinaus wird ein Verfahren sowohl zum Steigern der Effizienz und Leistung, als auch der Lebensdauer eines Wärmetauschers bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst den Schritt einer konstanteren Verteilens des Luftstroms durch den Wärmetauscher, wobei dieses Luftstroms durch eine Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 geleitet wird, einschließlich mindestens einer Luftstromöffnung 20, 34, die mehrere feststehende Lamellen 26, 36 beinhaltet, welche die Öffnungen mehrere Luftstromkanäle 28, 38 teilen.
-
Das folgende Beispiel wird vorgestellt, um den Nutzen und die Vorteile der in diesem Dokument und in den Zeichnungsfiguren beschriebenen Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 darzustellen.
-
Beispiel
-
Die 4a und 4b stellen eine CFD-Analyse eines Luftstroms für ein Basisfahrzeug dar, ohne die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 vor dem Kühler 12, Zwischenkühler 14 und Kondensator 16, beziehungsweise für das gleiche Fahrzeug, das mit dieser Vorrichtung ausgestattet ist. Wie in 4a dargestellt, gibt es im Basisfahrzeug eine tote Zone mit geringem oder keinem Luftstrom auf die untere Hälfte des Kondensators, was die Leistung des Kondensators erheblich reduziert (siehe Rechteck A in 4a). Darüber hinaus strömt die Luft, wie in Rechteck B in 4a dargestellt, in diesem Bereich aufwärts, da sie nicht korrekt geleitet wird, und dringt somit gar nicht vollständig in die Wärmetauscher ein, wodurch kein nützlicher Kühleffekt entsteht.
-
Im Gegensatz dazu fördern die Lamellen 26 und 36 und die Luftstromkanäle 28 und 38 der Vorrichtung 10, wie in 4b dargestellt (siehe Rechteck C), eine konstantere Einleitung des Luftstroms in den Kühler 12, den Zwischenkühler 14 und den Kondensator 16. Des Weiteren bewirkt die Vorrichtung 10 ein Minimieren des Verlusts an Luftstrom durch Lücken im Packaging zwischen dem Kühler 12, Zwischenkühler 14 und Kondensator 16. Zusätzlich wird die in Rechteck A in 4a dargestellte tote Zone durch die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 im Wesentlichen eliminiert.
-
Nun wird Bezug genommen auf 5, welche die Auswirkungen der Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 auf den Kondensatorblock darstellt. Wie im oberen linken Viertel von 5 dargestellt, führt die tote Zone A zu einer lokalen Hochtemperaturzone. Dies hat ein großes Temperaturgefälle im Wärmetauscherblock zur Folge, was die Effizienz des Wärmetauschers reduziert und die Lebensdauer des Kondensators 16 negativ beeinflusst. Bei großen Temperaturunterschieden tritt nämlich eine thermische Belastung auf, und diese Temperaturunterschiede führen tendenziell zu einem Defekt der Wärmetauscherleitungen. Dieses Temperaturgefälle wird im unteren linken Viertel von 5 am besten dargestellt.
-
Im Gegensatz dazu eliminiert die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 die tote Zone im Wesentlichen, wie im oberen und unteren rechten Viertel von 5 dargestellt und verringert den Temperaturunterschied quer über den Kondensator 16 wesentlich. Dies erhöht die Betriebseffizienz des Kondensators 16 und verbessert infolge einer Reduzierung der thermischen Belastung seine Lebensdauer (siehe insbesondere die Reduzierung der rot gefärbten Zone).
-
Nun wird Bezug genommen auf 6, welche die Auswirkungen der Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 auf den Kühlerblock darstellt. Wie in der thermischen Darstellung auf der linken Seite von 6 gezeigt, ist der Block des Kühlers 12 ohne die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 einem großen Temperaturgefälle ausgesetzt, wodurch bekanntlich die Effizienz und die Lebensdauer des Teils reduziert werden. Wie in der thermischen Darstellung auf der rechten Seite der 6 gezeigt, wurde durch die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10, welche die Verteilung des Luftstroms verbessert, der Temperaturunterschied reduziert. Infolgedessen werden die Effizienz und die Lebensdauer des Wärmetauschers durch Reduzierung der thermischen Belastung verbessert (siehe insbesondere die Reduzierung der rot gefärbten Zone).
-
Ein Vergleich der Luftströme durch den Kühlerblock wird in der unten angeführten Tabelle 1 vorgestellt. Wie dargestellt, lieferte die Luftstromoptimierungsvorrichtung
10 bei 100 km/h eine Erhöhung des Luftstroms um 4,91%, bei 180 km/h eine Erhöhung des Luftstroms um 5,71% und bei 200 km/h eine Erhöhung des Luftstroms um 7,43%. Wie oben erwähnt, verbessert diese Erhöhung des Luftstroms den Betriebseffizienz der Wärmetauscher, die den Kühler
12, den Zwischenkühler
14 und den Kondensator
16 beinhalten, was wiederum die Leistung des Fahrzeugs erhöht. Tatsächlich erhöhte sich infolge der verbesserten Kühlung die Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs um 35 km/h.
| Wärmetauscher | Kühler | |
| Fahrzeuggeschwindigkeit | Ohne aerodynamische Vorrichtung | Mit aerodynamischer Vorrichtung | % Verbesserung des Luftstroms |
| 100 km/h | 3,87 | 4,06 | 4,91 |
| 180 km/h | 5,95 | 6,29 | 5,71 |
| 200 km/h | 6,46 | 6,94 | 7,43 |
-
Ein Vergleich der Luftströme durch den Kondensatorblock wird in Tabelle 2 vorgestellt. Im Leerlauf ergab sich bei Einsatz der Luftstromoptimierungsvorrichtung
10 eine Verbesserung des Luftstroms um 9,63%. Bei 50 km/h ergab sich bei Einsatz der Vorrichtung
10 eine Verbesserung des Luftstroms um 8,92%. Bei 100 km/h ergab sich bei Einsatz der Luftstromoptimierungsvorrichtung
10 eine Verbesserung des Luftstroms um 13,75%. Dies lag weitgehend an der Eliminierung der in den obigen
4a,
4b und
5 beobachteten toten Zone. Die sich daraus ergebende Verbesserung des Luftstroms gestattet dem Kondensators effizienter zu arbeiten und dadurch die Leistung der Fahrzeugklimaanlage zu verbessern.
| Wärmetauscher | Kondensator | | |
| Fahrzeuggeschwindigkeit | Ohne aerodynamische Vorrichtung | Mit aerodynamischer Vorrichtung | % Verbesserung des Luftstroms | Leistungsziel der Klimaanlage |
| Leerlauf | 2,7 | 2,96 | 9,63 | 2,85 |
| 50 km/h | 3,25 | 3,54 | 8,92 | 3,4 |
| 100 km/h | 4,51 | 5,13 | 13,75 | 4,8 |
-
Zusammengefasst ergeben sich durch die Nutzung der Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 zahlreiche Vorteile. Die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 bietet einen konstanteren Luftstrom zur Leistungsverbesserung der Wärmetauscher, welche den Kühler 12, den Zwischenkühler 14 und den Kondensator 16 beinhalten. Durch die daraus resultierende Verbesserung der Kühlung wird die Betriebsleistung der Fahrzeugkraftmaschine und der Fahrzeugklimaanlage erhöht.
-
Der konstantere Luftstrom unterstützt auch die Eliminierung von Notspots und bietet eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in den Wärmetauscherblöcken 12, 14 und 16. Dies minimiert wiederum die negativen Auswirkungen unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und erhöht somit die Lebensdauer der Wärmetauscher.
-
Vorteilhafterweise kann die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 relativ kostengünstig hergestellt werden. Sie enthält keine Motoren, beweglichen Lamellen und Verbindungen wie Klappensysteme. Die Reduzierung der Kosten (ganze 62% im Vergleich zu einem Klappensystem vergleichbarer Größe) und des Gewichts (ganze 33,33% weniger) im Vergleich zu einem automatischen Klappensystem sind erheblich, und deshalb ist die Luftstromoptimierungsvorrichtung 10 für viele Anwendungen eine attraktivere Alternative als das Klappensystem. Auch mögliche Garantiefälle im Zusammenhang mit einem Klappensystem werden eliminiert.
-
Das Vorstehende dient Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken. Es soll nicht erschöpfend sein oder die Ausführungsformen auf die präzise offenbarte Form einschränken. Im Licht der obigen Lehren sind offenkundige Modifikationen und Variationen möglich. All diese Modifikationen und Variationen liegen im Umfang der beigefügten Ansprüche, wenn sie entsprechend der Breite, zu der sie den Regeln entsprechend, juristisch und gerechterweise berechtigt sind, interpretiert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Luftstromoptimierungsvorrichtung, Vorrichtung
- 12
- Kühler, Wärmetauscher, Wärmetauscherblöcke
- 14
- Zwischenkühler, Wärmetauscher, Wärmetauscherblöcke
- 16
- Kondensator, Wärmetauscher, Wärmetauscherblöcke
- 18
- Körper
- 20
- Luftstromöffnung, Öffnung, erste Öffnung
- 22
- Eingangs- oder Einlassseite
- 24
- Ausgangs- oder Auslassseite
- 26
- Lamellen
- 28
- Luftstromkanäle
- 30
- Begrenzung, Begrenzungsrahmen, zweite Öffnung, Luftstromkanäle
- 32
- Dichtungselement(e)
- 34
- zweite Luftstromöffnung, zweite Öffnung, Luftstromöffnung
- 36
- Lamellen
- 38
- Luftstromkanäle
- 40
- zweite Begrenzung, Begrenzungsrahmen
- 42
- Einlassseite
- 44
- zweite(s) Dichtungselement(e)
- 46
- Platte
- 48
- Rippen
- A
- tote Zone, Rechteck
- B
- Rahmen, Rechteck
- C
- Rechteck
- V
- Fahrzeug
