WO2003074849A1 - Luftgekühltes frontkühlermodul - Google Patents

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WO2003074849A1
WO2003074849A1 PCT/EP2003/002203 EP0302203W WO03074849A1 WO 2003074849 A1 WO2003074849 A1 WO 2003074849A1 EP 0302203 W EP0302203 W EP 0302203W WO 03074849 A1 WO03074849 A1 WO 03074849A1
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PCT/EP2003/002203
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Michael Wieschalka
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Modulare Planungs- Und Konstruktionstechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an air-cooled front cooler module for a motor vehicle with an internal combustion engine, one or more heat exchangers with cooling networks with pipes, through which one or more cooling media flow and outside of which cooling air flows, with one or more vehicle elements in the path of the cooling air to the front cooler module, and with one or more fans with fan drive.
  • Motor vehicles usually have internal combustion engines that also need to be cooled. This is about cooling the coolant itself, but also about the charge air. Motor vehicles increasingly have to be equipped with air conditioning capacitors. This cooling is expediently built in the form of front cooler modules which are arranged directly behind the front of the vehicle, where they are exposed to the driving wind. Attempts are being made to build the radiators as compactly as possible and with small external dimensions, because the space in the engine compartment immediately behind is becoming increasingly scarce, since more and more and larger units have to be built there with increasing technology and increasing demands.
  • DE 100 25 221 A1 even proposes not to install the plurality of coolers required there one behind the other, but rather one above the other and next to one another, the individual coolers each being oriented vertically.
  • a common cooling fan motor is arranged in the middle.
  • This arrangement of the various coolers allows space to be saved in the axial direction, in which space is particularly important in heavy-duty motor vehicles.
  • there is practically any space available in the vertical direction and in the width, and access to the various coolers through the driving wind is also unproblematic with such vehicles.
  • this concept is not suitable for passenger cars with their completely different dimensions and requirements in the area of the front end.
  • the front part of the motor vehicles should have a certain desired stability in order to protect the occupants in the event of a collision. At the same time, however, the front part of the motor vehicle should also remain flexible in order to keep the risk of injury to pedestrians as low as possible in the event of an impact. Attempts are being made to counter this contradiction with compromise solutions. Since the front cooler modules do not contribute to the stability of the front of the vehicle, but adversely affect the flexibility of the crumple zone, attempts are made to remove them from the immediate deformation area as far as possible.
  • DE 41 32 570 C2 attempts to counter this problem by integrating cooling air channels into the bumper parts for a motor vehicle front end, which supply cooling air to the cooler of the vehicle drive unit. An attempt is made to clear the access paths actually blocked by the bumper by directing the cooling air. An attempt is therefore made to better distribute the cooling air flow to the individual consumers by means of a duct. The heat exchangers remain unchanged. The amount of cooling air that can be supplied through these integrated channels is also limited.
  • the ventilation with the fan drive is arranged in the area between the bumper and the radiator of the vehicle; The fan is therefore operated differently than is usually the case as a pressure fan (and not as a draft fan). This means that the positions of the fan and the cooling air ducts in the bumper can be better coordinated with each other, but the access routes for the driving wind are further adjusted and the possibilities for the construction of this area are further restricted.
  • the object of the invention is therefore to propose an air-cooled front cooler module for motor vehicles that can meet these requirements.
  • the fan drive of the fan projects into at least one of the cooler networks.
  • the fan drive which previously had to extend into the engine compartment in an undesired form, can be placed in this vacant area practically inside the front cooler module, so that the fan drive can now be made strong and inexpensive, which further improves the cooling performance.
  • the fan wheel itself can now also be placed very close to the cooler network.
  • the fan cowl which was previously required, can now be completely dispensed with, which avoids the hindering of the outflow that has previously taken place during airflow operation and leads to a further improvement in the cooling performance.
  • the radiator is put out of function exactly where it has its lowest efficiency anyway, namely in that section of the radiator that is completely covered by the bumper or other vehicle elements and therefore only contributes to the cooling effect by free convection due to lack of driving wind. This is done by the recess for the fan drive in the slipstream of a bumper or other vehicle elements.
  • the tubes can preferably omit the area behind the vehicle elements.
  • the vehicle elements in the path of the cooling air, which impair the homogeneous inflow of the front cooler module, i.e. to a certain extent the stems in front of the radiator, include above all, but not exclusively, the bumper.
  • a recess for the fan drive can be implemented within the cooler. It is preferred if some of the horizontally extending pipes lying next to one another are omitted in the case of a cooler network which is constructed as usual.
  • one of the cooler networks is constructed from two subnetworks which are arranged one above the other and are at a distance from one another.
  • the cutout for the fan drive is then again located between these two parts of the cooler network.
  • the two parts of the cooler network can be practically independent and each form their own cooler network.
  • the connections of these two parts of the cooler network should, however, be coordinated appropriately so that they can jointly ensure the functionality of this overall cooling network.
  • a sub-network of different sizes can also be used to achieve a recess which is not exactly central, but which is still in the central region of the radiator network, and which is precisely aligned with the vehicle elements by way of the cooling air to the front cooler module.
  • the invention can be used both in front cooler modules which are designed as a multilayer structure comprising a plurality of cooling networks, and in front cooler modules in which the individual cooler networks are combined, that is to say in so-called monoblocks.
  • the cooler modules with their cooler networks are preferably arranged in a layered manner perpendicular to the cooling air.
  • This means that the cooling is based on the cross-flow principle, that is, the cooling air flows perpendicular to the cooling medium in the cooler networks.
  • the direction of flow of the cooling air is parallel to the driving wind, but angles of approximately 20 ° are also possible, depending on the direction of movement, depending on the specific structure of the motor vehicle or the front end. It is also preferred if the flow resistance of the front cooler module for the cooling air over the area swept by the fan wheel remains approximately constant through the use of an air-permeable screen.
  • Figure 1 is a schematic vertical section through the front part of a motor vehicle with a front cooler module according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic view in the direction of travel of the embodiment of the front cooler module from FIG. 1.
  • FIG. 1 The front part of a motor vehicle shown in Figure 1 is shown purely schematically in section.
  • the vehicle has a body 10, of which only the bonnet 12 can be seen in the sectional view.
  • To the right outside the picture would be the engine compartment, not shown, and behind it the passenger compartment.
  • the vehicle floor 11 and the wheels would be conceivable.
  • the fenders of the body are in front of or behind the image plane and are therefore also missing in the sectional view.
  • a bumper 13 and a stiffening 14 for the bumper 13 are therefore indicated schematically there.
  • a spoiler 15 extends obliquely from the vehicle floor 11 up to the bumper 13.
  • the spoiler 15 has large openings in which a ventilation grille 16 is arranged.
  • the ventilation grille 16 in turn has openings.
  • the bumper 13 and its stiffening 14 are thus vehicle elements in the path of the cooling air L A.
  • This cooling air L A now flows onto a front cooler module 20.
  • the front cooler module 20 consists of several elements. A different structure is also conceivable here, depending on the vehicle type. Not every vehicle has all of these elements, but more can be added.
  • the front cooler module 20 has an air conditioning condenser 21, a charge air cooler 22, a coolant cooler 23 and finally a fan 30.
  • the structure is layered, with each layer arranged perpendicular to the direction of travel.
  • the first layer in the direction of travel is the air conditioning condenser 21, followed by the charge air cooler 22, the coolant cooler 23 and the fan 30.
  • the cooling air L A therefore flows perpendicular to these layers.
  • the fan 30 has a fan drive 31 and a fan wheel 32.
  • the fan 30 is arranged in the direction of travel in front of the heat exchangers, that is to say to the left of these in the figure.
  • Each individual layer for example the air conditioning condenser 21, is constructed as a separate heat exchanger.
  • three independent cooler networks 24 are created, one for each heat exchanger.
  • the cooler network 24 of the heat exchanger is a system of fins and pipes 25 through which a cooling medium L M flows.
  • This cooling medium L M essentially flows from left to right or from right to left, ie horizontally, just as the cooling air L A flows horizontally. So both meet on the cross flow principle for cooling.
  • the medium L M to be cooled can be air, cooling water or another refrigerant, for example carbon dioxide CO 2 . It flows through oval tubes or round tubes 25, which are preferably at a constant distance from one another.
  • Inflow and outflow collectors 26 are provided on the right and left in the vehicle and are described in more detail in connection with FIG. 2.
  • the heat transport between the cooling air L A and the cooling media L M mainly takes place on the way of free and forced convection, the heat radiation, on the other hand, has only a small proportion.
  • a corresponding depth of space must be provided in the vehicle, because in the illustration only to the right of the cooler the actual engine compartment to be built.
  • the front cooler module 20 must be able to work both in the driving wind mode and in the pure fan mode.
  • the cooling effect in this area is dispensed with in these two cooler networks 24, the cooling actually taking place in the outer areas, on the other hand, is more effective and the resulting from the mixing adverse effects are avoided.
  • the entire volume flow of the charge air and the coolant of the charge air cooler 22 and of the coolant cooler 23 shifts in each case into the region of the forced convection.
  • the dwell time, for example, of an air particle in the pipe 25 of the charge air cooler 22 becomes shorter because the speed of the air particles increases due to the reduced flow cross section.
  • the temperature difference ⁇ T in the wall layer area of the cooler network 24 of the charge air cooler 22 is greater, since the cooling air L A also flows directly. All in all, despite the smaller cooler network area, this results in a better heat flow Q and thus better cooling, although a considerable part of the pipes and fins of the cooler network 24 has been omitted.
  • FIG. 2 shows that the solution is also independent of whether there are heat exchangers in which the coolant medium L M flows only once from one collector 26 to the other collector 26 or whether the cooler network 24 is flowed through several times.
  • the throughflow in the first type is also referred to as “I throughflow”, that in the second type as “U throughflow” or “S throughflow”.
  • FIG. 2 shows heat exchangers through which T flows, with collectors 26, for inflowing the hot, uncooled medium and for outflowing the cooling medium L M cooled in the heat exchanger.
  • the arrangement of the inlet and outlet connections over the diagonal is optimal, which ensures a uniform volume flow over all pipes 25 within each of the three heat exchangers 21, 22, 23. This also contributes to lower pressure drops and better temperature distribution.
  • FIG. 1 A renewed look at FIG. 1 again shows that not only no disadvantages arise from omitting the central tubes 25 in at least some of the cooler networks 24 of the heat exchangers.
  • the length of the drive unit 31 is only relevant for the depth of the front cooler module 20 from a certain limit. This means that inexpensive and powerful fans can be used.
  • the fan 30 with its fan drive 31 can simultaneously be further optimized and thus possibly improve the overall effect of the cooler.
  • the fan wheel 32 is placed very close to the cooler network 24 of the coolant cooler 23.
  • the outer race of the fan wheel 32 has a distance from the cooler network 24 of the coolant cooler 23 of approximately 3 mm. This also makes it possible to do without a conventional fan guard, which is therefore not shown either. In addition to the reduced effort, this also has the advantage that the outflow is not unnecessarily prevented by this fan guard during driving wind operation.
  • a seal 27 is used to achieve a better flow through the individual heat exchangers. This seal 27 closes the gap that forms between two heat exchangers, that is, two cooler networks 24. As a result, suction of secondary air or bypassing certain parts of the front cooler module 20 by the cooling air L A is prevented.
  • the blade of the fan wheel 32 which flares outward more and more, is arranged such that the distance of the wing to the radiator network 24 becomes larger from the inside out. This can be seen particularly well in the sectional illustration in FIG. 1.
  • a fan 30 which is brought relatively close to the inhomogeneous cooler network 24 could possibly tend to cause pressure pulsations in the transition area between the cooler network 24 and the air, which are then perceived as noise.
  • this noise development is prevented by an air-permeable screen 40.
  • the air resistance of the panel 40 and the cooler module are approximately the same.
  • the diaphragm 40 closes with its dimensions flush with the right edge of the front cooler module 20 in FIG. 1, ie the rear edge in the motor vehicle.
  • the diaphragm 40 thus also has a receiving function for the fan 30.
  • the cover 40 also avoids the warm air being drawn in from the engine compartment by the fan 30.
  • the entire recessed area of the radiator networks 24 is therefore closed with the cover 40.
  • the aperture 40 is airtight outside the area swept by the fan wheel 32.
  • the front cooler module 20 according to the invention is suitable both for passenger vehicles and for trucks and other commercial vehicles.
  • the idea can be extended not only to symmetrical arrangements as in FIG. 1, but also to more asymmetrical arrangements of bumpers 13.

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Abstract

Ein luftgekühltes Frontkühlermodul (20) für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine weist einen oder mehrere Kühlernetze (24) auf. Diese Kühlernetze (24) besitzen Rohre (25) und dienen als Wärmetauscher (21, 22, 23). Sie werden jeweils von einem Kühlmedium (LM) durchströmt und außen von Kühlluft (LA) angeströmt. Ein oder mehrere Fahrzeugelemente (13) liegen im Weg der Kühlluft (LA) zum Frontkühlermodul (20). Ferner sind ein oder mehrere Lüfter (30) mit Lüfterantrieben (31) vorgesehen. Die Rohre mindestens eines der Kühlernetze (24) sind in dem Bereich hinter den Fahrzeugelementen (13) im Weg der Kühlluft (LA) ausgespart.Der Lüfterantrieb (31) des oder der Lüfter (30) ragt bevorzugt in wenigstens eines der Kühlernetze (24) hinein.In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Lüfterantrieb (31) dabei in einem Bereich, der im Windschatten eines Stoßfängers (13) liegt.

Description

Luftgekühltes Frontkühlermodul
Die Erfindung betrifft ein luftgekühltes Frontkühlermodul für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem oder mehreren Wärmetauschern mit Kühlemetzen mit Rohren, die von einem oder mehreren Kühlmedien durchströmt und außen von Kühlluft angeströmt werden, mit einem oder mehreren Fahrzeugelementen im Weg der Kühlluft zum Frontkühlermodul, und mit einem oder mehreren Lüftern mit Lüfterantrieb.
Kraftfahrzeuge besitzen üblicherweise Verbrennungskraftmaschinen, die auch gekühlt werden müssen. Dabei geht es um die Kühlung des Kühlmittels selbst, aber auch um die Ladeluft. Zunehmend müssen Kraftfahrzeuge auch mit Klimakondensatoren ausgerüstet werden. Zweckmäßig baut man diese Kühlung in Form von Frontkühlermodulen auf, die direkt hinter der Frontpartie des Fahr- zeugs angeordnet sind, wo sie also dem Fahrwind ausgesetzt sind. Man versucht, die Kühler möglichst kompakt und mit geringen Außenabmessungen aufzubauen, weil der Platz im unmittelbar dahinter liegenden Motorraum zunehmend knapper wird, da immer mehr und auch immer größere Aggregate dort mit zunehmender Technologie und zunehmenden Ansprüchen aufgebaut werden müs- sen.
Bei Schwerlastkraftfahrzeugen wird in der DE 100 25 221 A1 sogar vorgeschlagen, die dort erforderlichen mehreren Kühler nicht hintereinander, sondern übereinander und nebeneinander aufzubauen, wobei die einzelnen Kühler jeweils vertikal orientiert werden. In der Mitte wird ein gemeinsamer Kühlventilatormotor angeordnet. Durch diese Anordnung der diversen Kühler kann eine Raumeinsparung in der axialen Richtung erfolgen, in der bei Schwerlastkraftfahrzeugen der Raum besonders wichtig ist. In der vertikalen Richtung sowie auch in der Breite steht dagegen praktisch beliebig Raum zur Verfügung und der Zugang zu den verschiedenen Kühlern durch den Fahrwind ist bei solchen Fahrzeugen auch unproblematisch. Für Personenkraftwagen mit ihren ganz anderen Abmessungen und Anforderungen im Bereich der Frontpartie ist diese Konzeption allerdings nicht geeignet. In der EP 0 183 596 B1 wird eine weitere Konzeption vorgeschlagen, bei der der Lüftermotor in einer becherartigen Hülse eingekapselt ist und sich überwiegend innerhalb der Nabe des Lüfters und zwischen dem Lüfter und dem Kühlermodul befindet. Da dieser Bauraum nicht ausreicht, ragt die becherförmige Hülse teil- weise in den Kühler hinein. Diese Konzeption verkürzt zwar den Bauraum, stört aber erheblich den Kühlflüssigkeitsfluss innerhalb des Kühlers und berücksichtigt in keiner Weise die Strömungsverhältnisse der Kühlluft im Bereich der Frontpartie von Kraftfahrzeugen.
Die Frontpartie der Kraftfahrzeuge soll eine bestimmte gewünschte Stabilität aufweisen, um die Insassen im Fall einer Kollision zu schützen. Zugleich soll die Frontpartie des Kraftfahrzeuges aber auch nachgiebig bleiben, um auch das Verletzungsrisiko der Fußgänger im Fall eines Aufpralles möglichst gering zu halten. Es wird versucht, diesem Widerspruch durch Kompromisslösungen zu begegnen. Da die Frontkühlermodule nicht zur Stabilität des Vorderwagens des Kraftfahrzeugs beitragen, die Nachgiebigkeit der Knautschzone jedoch ungünstig beeinflussen, versucht man sie nach Möglichkeit aus dem unmittelbaren Deformationsbereich zu entfernen.
Außerdem möchte man die Öffnungen in der Frontpartie der Kraftfahrzeuge aus aerodynamischen und akustischen Gründen möglichst verkleinem. Sind diese Öffnungen (umgangssprachlich häufig als „Kühlergrill" bezeichnet) relativ groß, so erhöht sich auch der Luftwiderstand (cw-Wert) und auch der Geräuschpegel, der von dem Kraftfahrzeug verursacht wird, nimmt zu. Beide Effekte sind uner- wünscht, sodass man diese Öffnungen tendenziell verkleinern möchte. Es werden also immer mehr und immer räum- und flächenschließende Fahrzeugelemente in den Weg der Kühlluft zu dem Frontkühlermodul gestellt, was die Kühlung natürlich beeinträchtigt.
In der DE 41 32 570 C2 wird versucht, diesem Problem dadurch zu begegnen, dass in den Stoßfängerteilen für einen Kraftfahrzeugvorderbau nun Kühlluft-Kanäle integriert werden, die dem Kühler der Fahrzeugantriebseinheit Kühlluft zuführen. Es wird also versucht, die durch den Stoßfänger eigentlich verstellten Zuwege durch eine gezielte Lenkung der Kühlluft doch wieder frei zu bekommen. Man versucht also, die Kühlluftströmung mittels eines Kanals auf die einzelnen Verbraucher besser zu verteilen. Die Wärmetauscher bleiben unverändert. Die Menge an Kühlluft, die durch diese integrierten Kanäle zugeführt werden kann, ist darüber hinaus auch noch begrenzt. Außerdem wird die Lüftung mit dem Lüfterantrieb in den Bereich zwischen dem Stoßfänger und dem Kühler des Fahrzeugs angeordnet; der Lüfter wird also anders als meist üblich als Drucklüfter (und nicht als Zuglüfter) betrieben. Dadurch können zwar die Positionen des Lüfters und die Kühlluftkanäle im Stoßfänger besser aufeinander abgestimmt werden, die Zuwege für den Fahrwind werden aber noch weiter verstellt und die Möglichkeiten für die Konstruktion dieses Bereiches noch weiter eingeschränkt.
Beide Tendenzen, einerseits die zunehmende Kompaktierung der Kühler und andererseits das Verstellen der Zuwege für den Fahrwind, erschweren den Auf- bau von Kühlern. Zu bedenken ist ja, dass größere Motoren auch eine entsprechende Kühlung benötigen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein luftgekühltes Frontkühlermodul für Kraftfahrzeuge vorzuschlagen, das diesen Anforderungen gewachsen ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Frontkühlermodul dadurch gelöst, dass die Rohre mindestens eines der Kühlnetze den Bereich hinter den Fahrzeugelementen im Weg der Kühlluft aussparen.
Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Lüfterantrieb des Lüfters in wenigstens eines der Kühlernetze hineinragt.
Herkömmlich ist bei Kompaktierungsversuchen im Stand der Technik meist versucht worden, sich auf die äußeren Dimensionen eines Kühlers zu konzentrieren, also seine Abmessungen irgendwie zu verkleinern, ohne seine Funktion dabei zu gefährden. Die DE 197 31 999 A1 schlägt beispielsweise die Verwendung von Modulträgern zur unabhängigen Halterung mehrerer Kühler eines Kühlermoduls vor, um Einbauraum zu sparen. Erfindungsgemäß wird nun aber nicht an den äußeren Dimensionen etwas geändert, sondern genau das Gegenteil gemacht: Es wird im Regelfall praktisch der zentrale, mittlere Bereich eines Kühlernetzes, zumindest desjenigen Kühlernetzes, das dem Lüfterrad am nächsten liegt, einfach ausgespart. Es entsteht praktisch ein "Kühler mit mittigem Loch". Die äußeren Abmessungen (Breite, Länge, Höhe) bleiben im Wesentlichen unverändert.
So kann der Lüfterantrieb, der sich bisher in ungewünschter Form in den Motorraum hineinerstrecken musste, genau in diesen freiwerdenden Bereich praktisch im Inneren des Frontkühlermoduls hineingelegt werden, so dass der Lüfterantrieb nun stark und kostengünstig ausgeführt werden kann, was die Kühlleistung weiter verbessert.
Auch das Lüfterrad selbst kann jetzt sehr nah am Kühlernetz platziert werden. Auf die Lüfterhutze dagegen, die bisher erforderlich war, kann jetzt komplett verzichtet werden, was die bisher stattfindende Behinderung der Abströmung beim Fahrtwindbetrieb vermeidet, und zu einer weiteren Verbesserung der Kühlleistung führt.
Der Ansatz führt überraschend zum Erfolg: Obwohl jetzt Teilbereiche des Kühlernetzes im Vergleich zum Stand der Technik einfach fortfallen oder nicht mehr so gleichmäßig aufgebaut sind wie bisher, entstehen deutliche Vorteile für die Bautiefe des kompletten Frontkühlermoduls. Mehrere Zentimeter Platz in Richtung der Fahrzeuglängsachse werden gewonnen. Dem stehen durch den Fortfall beziehungsweise die geänderte Führung der Rohre eines Kühlernetzes geringe Verluste an Kapazität des Wärmetauschers entgegen, die insbesondere bei im Folgenden noch erörterten Ausführungsformen zu vernachlässigen sind, verglichen mit den erzielbaren Vorteilen.
In die entstehenden Aussparungen können außerdem noch andere Aggregate integriert werden, die bisher ungünstig geformt innerhalb des Motorraums angeordnet werden mussten. Der Kühler wird genau dort außer Funktion gestellt, wo er ohnehin seinen geringsten Wirkungsgrad hat, nämlich in demjenigen Abschnitt des Kühlers, der von dem Stoßfänger oder anderen Fahrzeugelementen völlig verdeckt ist und daher mangels Fahrwind nur durch freie Konvektion zum Kühleffekt beiträgt. Dies geschieht, indem die Aussparung für den Lüfterantrieb im Windschatten eines Stoßfängers oder von anderen Fahrzeugelementen liegt.
Insbesondere aber ist der freiwerdende Raum in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besonders sinnvoll zu nutzen.
Auch dann, wenn bei einem Kraftfahrzeug andere Fahrzeugelemente im Weg der Kühlluft zum Frontkühlermodul angeordnet sind, können bevorzugt die Rohre genau den Bereich hinter den Fahrzeugelementen aussparen.
Zu den Fahrzeugelementen im Weg der Kühlluft, die die homogene Anströmung des Frontkühlermoduls beeinträchtigen, also gewissermaßen zu den Vorbauten vor dem Kühler zählt vor allem, aber nicht ausschließlich der Stoßfänger.
Es stellt sich dabei heraus, dass die jetzt homogenere Kühlung die ungünstigen Mischeffekte sonst unterschiedlich gekühlten Kühlmediums in den Sammlern drastisch reduziert und damit den Wirkungsgrad verbessert, zumal ein besserer Wärmestrom trotz der kürzeren Verweildauer des Kühlmediums an den Außenflächen zu beobachten ist.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie eine Aussparung für den Lüfterantrieb innerhalb des Kühlers realisiert werden kann. Bevorzugt ist es dabei, wenn bei einem wie sonst üblich aufgebauten Kühlernetz einige nebeneinander liegende der horizontal verlaufenden Rohre weggelassen werden.
Alternativ ist es aber auch möglich, die Rohre in bestimmten mittleren Bereichen zusammenzudrängen, also vom Rand zur Mitte hin gleichmäßig oder geeignet in Stufen oder Kurven ansteigen und/oder absteigen zu lassen, so dass sich in den dadurch größer gewordenen Abständen zwischen den Rohren eine Aussparung bildet. Weniger geeignet wäre demgegenüber ein technischer Aufbau, wie er zu einem ganz anderen Zweck in der EP 0 183 596 B1 vorgeschlagen worden ist. Ein Sammeln, zusammendrängen auf kleinem Querschnitt und anschließendes ungeordnetes Verteilen wäre für den Wirkungsgrad schlecht. Dort war allerdings auch noch nicht an den Fahrwind und die Relativorientierung des Bereiches um den Lüfterantrieb gedacht worden.
Technisch besteht eine weitere Möglichkeit auch darin, dass eines der Kühlernetze aus zwei Teilnetzen aufgebaut ist, die übereinander angeordnet sind und voneinander einen Abstand aufweisen. Zwischen diesen beiden Teilen des Küh- lernetzes befindet sich dann wiederum die Aussparung für den Lüfterantrieb. Die beiden Teile des Kühlernetzes können praktisch unabhängig sein und jeweils für sich ein eigenes Kühlernetz bilden. Die Anschlüsse dieser beiden Teile des Kühlernetzes sollten allerdings geeignet koordiniert werden, damit sie gemeinsam noch die Funktionsfähigkeit dieses Gesamt-Kühlemetzes sicherstellen kön- nen.
Diese beiden Teilnetze müssen nicht unbedingt gleichgroß sein. Durch verschieden große Teilnetze lässt sich auch eine nicht exakt zentrale, aber noch im mittleren Bereich des Kühlernetzes befindliche Aussparung erzielen, die genau auf die Fahrzeugelemente im Wege der Kühlluft zu dem Frontkühlermodul ausgerichtet ist.
Die Erfindung ist sowohl bei Frontkühlermodulen anwendbar, die als mehrschichtiger Aufbau aus mehreren Kühlemetzen konzipiert sind, als auch bei Frontkühlermodulen, in denen die einzelnen Kühlernetze zusammengefasst sind, also bei sogenannten Monoblocks.
Bevorzugt werden die Kühlermodule mit ihren Kühlernetzen schichtförmig senkrecht zur Kühlluft angeordnet. Dies bedeutet, dass die Kühlung nach dem Kreuz- Stromprinzip erfolgt, also die Kühlluft senkrecht zu dem Kühlmedium in den Kühlernetzen strömt. In erster Näherung ist die Strömungsrichtung der Kühlluft parallel zum Fahrwind, es sind aber auch je nach konkretem Aufbau des Kraftfahrzeugs beziehungsweise des Vorderwagens Winkel von etwa 20° abhängig von der Bewegungsrichtung möglich. Bevorzugt ist es außerdem, wenn der Strömungswiderstand des Frontkühlermoduls für die Kühlluft über die vom Lüfterrad überstrichene Fläche durch den Einsatz einer luftdurchlässigen Blende annähernd konstant bleibt.
Weitere bevorzugte Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen vertikalen Schnitt durch die Frontpartie eines Kraftfahrzeugs mit einem Frontkühlermodul gemäß der Erfindung; und
Figur 2 eine schematische Ansicht in Fahrtrichtung auf die Ausführungsform des Frontkühlermoduls aus Figur 1.
Die in Figur 1 dargestellte Frontpartie eines Kraftfahrzeugs ist rein schematisch im Schnitt dargestellt. Das Fahrzeug besitzt eine Karosserie 10, von der lediglich die Motorhaube 12 in der Schnittdarstellung zu erkennen ist. Rechts außerhalb des Bildes würden sich der nicht dargestellte Motorraum und dahinter die Fahrgastzelle anschließen. Unten in der Figur 1 wären der Fahrzeugboden 11 und die Räder zu denken. Die Kotflügel der Karosserie befinden sich vor bzw. hinter der Bildebene und fehlen daher in der Schnittansicht ebenfalls.
Das Fahrzeug würde sich nach links bewegen. Dort ist daher schematisch ein Stoßfänger 13 sowie eine Versteifung 14 für den Stoßfänger 13 angedeutet. Ein Spoiler 15 zieht sich vom Fahrzeugboden 11 schräg nach oben bis hin zum Stoßfänger 13. Der Spoiler 15 hat große Öffnungen, in denen ein Lüftungsgitter 16 angeordnet ist. Das Lüftungsgitter 16 hat seinerseits Öffnungen. Auch zwischen dem Stoßfänger 13 und der Motorhaube 12 befinden sich jeweils Lüftungsgitter 16. Durch die Lüftungsgitter 16 kann von links Kühlluft LA einströmen. Dies ist durch sechs Pfeile angedeutet, wobei Kühlluft LA sowohl oberhalb als auch unterhalb des Stoßfängers 13 einströmt.
Der Stoßfänger 13 und seine Versteifung 14 sind also Fahrzeugelemente im Weg der Kühlluft LA.
Diese Kühlluft LA strömt nun auf ein Frontkühlermodul 20. In der dargestellten Ausführungsform besteht das Frontkühlermodul 20 aus mehreren Elementen. Hier ist auch ein anderer Aufbau unterschiedlich je nach Fahrzeugtyp denkbar. Nicht jedes Fahrzeug besitzt alle diese Elemente, es können aber auch weitere hinzukommen.
In der dargestellten Ausführungsform weist das Frontkühlermodul 20 einen Klimakondensator 21 , einen Ladeluftkühler 22, einen Kühlmittelkühler 23 und schließlich einen Lüfter 30 auf. Der Aufbau ist schichtförmig, wobei jede Schicht senkrecht zur Fahrtrichtung angeordnet ist. Die in Fahrtrichtung erste Schicht ist der Klimakondensator 21 , es folgt der Ladeluftkühler 22, der Kühlmittelkühler 23 und der Lüfter 30. Die Kühlluft LA strömt also senkrecht zu diesen Schichten.
Der Lüfter 30 besitzt einen Lüfterantrieb 31 und ein Lüfterrad 32. Es gibt auch Ausführungsformen, in denen der Lüfter 30 in Fahrtrichtung vor den Wärmetauschern, also im Bild links von diesen, angeordnet ist.
Jede einzelne Schicht, also beispielsweise der Klimakondensator 21, ist als separater Wärmetauscher aufgebaut. Es entstehen in diesem Beispiel also drei unabhängige Kühlernetze 24, für jeden Wärmetauscher eines.
Für den Ladeluftkühler 22 ist dies in einem vergrößert herausgezogenen Bereich unten links in der Figur 1 separat nochmals angedeutet. Das Kühlernetz 24 des Wärmetauschers ist ein System von Lamellen und von Rohren 25, durch die ein Kühlmedium LM strömt. Dieses Kühlmedium LM strömt im Wesentlichen von links nach rechts oder von rechts nach links, also horizontal, ebenso wie auch die Kühlluft LA horizontal strömt. Beide treffen sich also nach dem Kreuzstromprinzip zur Kühlung. Das zu kühlende Medium LM kann Luft, Kühlwasser oder ein anderes Kältemittel beispielsweise Kohlendioxid CO2 sein. Es strömt durch Ovalrohre oder Rundrohre 25, die bevorzugt einen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Rechts und links im Fahrzeug sind Einströmsammler bzw. Ausströmsammler 26 vorgesehen, die noch im Zusammenhang mit Figur 2 näher beschrieben werden.
Der Wärmetransport zwischen der Kühlluft LA und den Kühlmedien LM geschieht hauptsächlich auf dem Weg der freien und der erzwungenen Konvektion, die Wärmestrahlung hat demgegenüber nur einen geringen Anteil. Hinter der Sandwichanordnung der verschiedenen Wärmetauscher 21 , 22, 23 mit ihren Kühlernetzen 24 befindet sich ebenfalls parallel und gewissermaßen schichtförmig dazu der Lüfter 30. Für ein Frontkühlermodul muss eine entspre- chende Raumtiefe im Fahrzeug vorgehalten werden, denn in der Darstellung erst rechts vom Kühler kann der eigentliche Motorraum aufgebaut werden. Das Frontkühlermodul 20 muss sowohl im Fahrwindbetrieb als auch im reinen Lüfterbetrieb arbeiten können. Eine Betrachtung der Figur 1 zeigt, dass die Stirnfläche des gesamten Kühlernetzes 24 in der Regel etwa doppelt so groß ist, wie die Öffnungen der Lüftungsgitter 16 zwischen Spoiler 15, Stoßfänger 13 und Motorhaube 12. Sowohl im Fahrwindbetrieb als auch im Lüfterbetrieb werden nur Teilbereiche der Wärmetauscher direkt angeströmt, also durch erzwungene Kon- vektion gekühlt. Die restliche Fläche gibt die Wärme mittels freier Konvektion ab. Das führt dazu, dass sich in jedem einzelnen der vielen parallel verlaufenden und durchströmten Rohre 25 normalerweise unterschiedliche Temperaturen des jeweiligen Kühlmediums L bilden. Die Medien aus den besser und schlechter gekühlten Bereichen vermischen sich im Ausströmsammler, um dort eine Durchschnittstemperatur zu bilden.
Anders als im Stand der Technik ist erfindungsgemäß jedoch gerade genau der Bereich hinter dem Stoßfänger 13 von den Rohren 25 der Wärmetauscher 21, 22 und 23 des Frontkühlermoduls 20 freigehalten. Der gesamte tatsächlich mit Rohren 25 belegte Teil des Kühlernetzes 24 wird durch erzwungene Konvektion direkt von Kühlluft LA angeströmt. Die herkömmlich schlechter gekühlten Berei- ehe entfallen. Wie auch in Figur 1 zu erkennen ist, wird diese Maßnahme nicht zwingend in allen Kühlernetzen 24 vorgenommen, insbesondere aber in den in Fahrtrichtung am weitesten hinten gelegenen Kühlernetzen 24, das sind im dargestellten Beispiel der Ladeluftkühler 22 und der Kühlmittelkühler 23.
Dies sind diejenigen Wärmetauscher, die dem Lüfter 30 am nächsten liegen.
Natürlich wird dadurch auf den Kühleffekt in diesem Bereich in diesen beiden Kühlernetzen 24 verzichtet, die tatsächlich stattfindende Kühlung in den äußeren Bereichen dagegen ist effektiver und die durch die Vermischung entstehenden ungünstigen Effekte werden vermieden. Es verschiebt sich der gesamte Volumenstrom der Ladeluft und des Kühlmittels des Ladeluftkühlers 22 und des Kühlmittelkühlers 23 jeweils in den Bereich der erzwungenen Konvektion. Die Verweildauer beispielsweise eines Luftpartikels im Rohr 25 des Ladeluftküh- lers 22 wird so zwar kürzer, da aufgrund des reduzierten Durchflussquerschnitts die Geschwindigkeit der Luftpartikel zunimmt. Die Temperaturdifferenz ΔT im Wandschichtbereich des Kühlernetzes 24 des Ladeluftkühlers 22 ist jedoch größer, da ja auch die Kühlluft LA direkt anströmt. In der Summe kommt es dadurch trotz der kleineren Kühlernetzfläche zu einem besseren Wärmestrom Q und da- mit zu einer besseren Abkühlung, obwohl auf einen erheblichen Teil Rohre und Lamellen des Kühlernetzes 24 verzichtet worden ist.
Ein Blick auf Figur 2 zeigt, dass die Lösung auch unabhängig davon ist, ob es sich um Wärmetauscher handelt, in denen das Kühlermedium LM nur einmal von einem Sammler 26 zum anderen Sammler 26 strömt, oder ob das Kühlernetz 24 mehrmals durchströmt wird. Die Durchströmung beim ersten Typ wird auch als „I-Durchströmung", die beim zweiten Typ als „U-Durchströmung" oder „S-Durchströmung" bezeichnet.
Figur 2 zeigt T-durchströmte Wärmetauscher mit Sammlern 26 zum Einströmen des heißen, ungekühlten Mediums und zum Ausströmen des im Wärmetauscher gekühlten Kühlmediums LM. Optimal ist die Anordnung der Ein- und Austrittsstutzen über die Diagonale, die für einen gleichmäßigen Volumenstrom über alle Rohre 25 innerhalb eines jeden der drei Wärmetauscher 21, 22, 23 sorgt. Dieser Sachverhalt trägt auch zu geringeren Druckverlusten und einer besseren Temperaturverteilung bei.
Ein erneuter Blick jetzt wieder auf Figur 1 zeigt, dass nicht nur keine Nachteile durch das Fortlassen der mittleren Rohre 25 in zumindest einigen der Kühler- netze 24 der Wärmetauscher entstehen. Der bisher schlecht durchströmte, mittlere Bereich hinter dem Stoßfänger 13 bietet darüber hinaus auch ungefähr 5 dm3 Volumen, die bisher von Rohren 25 eingenommen wurden. Dieser Platz wird nunmehr frei und kann anders genutzt werden. Hierzu bietet es sich - wie auch in der Figur 1 dargestellt - an, hier die Antriebseinheit 31 des Lüfters 30 unterzubringen. Diese ragt nämlich herkömmlich in den Motorraum und muss durch ungünstige und eigentlich nicht angestrebte ebenfalls flache Ausbildung dort möglichst platzsparend untergebracht werden.
Bei einer Anordnung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist aber die Länge der Antriebseinheit 31 erst ab einer gewissen Grenze für die Tiefe des Frontkühlermoduls 20 relevant. Das bedeutet, dass der Einsatz von kostengünstigen und starken Lüftern möglich wird.
Durch den freigewordenen Platz im Inneren der Wärmetauscher kann also gleichzeitig der Lüfter 30 mit seinem Lüfterantrieb 31 weiter optimiert werden und so gegebenenfalls die Gesamtwirkung des Kühlers verbessern.
Das Lüfterrad 32 wird sehr nah an das Kühlernetz 24 des Kühlmittelkühlers 23 platziert. Der äußere Laufring des Lüfterrades 32 weist in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung einen Abstand zum Kühlernetz 24 des Kühlmittelkühlers 23 von etwa 3 mm auf. Dadurch wird es nun auch noch möglich, auf eine herkömmliche Lüfterhutze zu verzichten, die deshalb auch nicht mit dargestellt ist. Abgesehen von dem verringerten Aufwand hat dies auch noch den Vorteil, dass beim Fahrwindbetrieb die Abströmung nicht unnötig durch eben diese Lüfterhutze verhindert wird.
Um die Erfindung weiter zu optimieren, wird zur Erzielung einer besseren Durch- Strömung der einzelnen Wärmetauscher eine Dichtung 27 eingesetzt. Diese Dichtung 27 verschließt jeweils den Spalt, der sich zwischen zwei Wärmetauschern, also zwei Kühlernetzen 24 bildet. Dadurch wird ein Ansaugen von Nebenluft oder ein Umgehen bestimmter Teile des Frontkühlermoduls 20 durch die Kühlluft LA unterbunden.
Da der Lüfter 30 im äußeren Bereich des Lüfterrades 32 die höchste Leistungsdichte aufweist, also den maximalen Unterdruck, wird der nach außen immer flacher werdende Flügel des Lüfterrades 32 so angeordnet, dass der Abstand des Flügels zum Kühlernetz 24 von innen nach außen größer wird. Dies ist insbesondere in der Schnittdarstellung in Figur 1 gut zu erkennen.
Dies ermöglicht auch eine bessere Druckverteilung zwischen dem Kühlernetz und dem Lüfterrad 32.
Ein relativ nah an das inhomogene Kühlernetz 24 herangebrachter Lüfter 30 könnte gegebenenfalls dazu tendieren, im Übergangsbereich zwischen dem Kühlernetz 24 und der Luft Druckpulsationen zu verursachen, die dann als Ge- rausche wahrgenommen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese Geräuschentwicklung durch eine luftdurchlässige Blende 40 unterbunden. Der Luftwiderstand der Blende 40 und des Kühlermoduls sind annähernd gleich. Die Blende 40 schließt mit ihren Abmaßen bündig mit der in der Figur 1 rechten, im Kraftfahrzeug also hinteren Kante des Frontkühlermoduls 20. Die Blende 40 hat somit auch eine Aufnahmefunktion für den Lüfter 30.
Die Blende 40 vermeidet zugleich auch ein Ansaugen der warmen Luft aus dem Motorraum durch den Lüfter 30. Der gesamte ausgesparte Bereich der Kühlernetze 24 wird daher mit der Blende 40 verschlossen. Die Blende 40 ist außerhalb der vom Lüfterrad 32 überstrichenen Fläche luftdicht.
Das erfindungsgemäße Frontkühlermodul 20 eignet sich sowohl für Personenkraftfahrzeuge als auch für Last- und andere Nutzfahrzeuge. Der Gedanke lässt sich nicht nur auf symmetrische Anordnungen wie in der Figur 1 erstrecken, son- dem auch auf mehr asymmetrische Anordnungen von Stoßfängern 13.
Bezugszeichenliste
0 Karosserie 1 Fahrzeugboden 2 Motorhaube 3 Stoßfänger
14 Versteifung des Stoßfängers
15 Spoiler
16 Lüftungsgitter
0 Frontkühlermodul 1 Klimakondensator 2 Ladeluftkühler 3 Kühlmittelkühler 4 Kühlernetz 5 Rohre 6 Sammler 7 Dichtungen
30 Lüfter
31 Lüfterantrieb
32 Lüfterrad
40 Blende
LA Kühlluft
L Kühlmedium

Claims

Ansprüche
1. Luftgekühltes Frontkühlermodul (20) für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem oder mehreren Wärmetauschern (21 , 22, 23) mit Kühlernetzen (24) mit Rohren (25), die von einem oder mehreren Kühlmedien (LM) durchströmt und außen von Kühlluft (LA) angeströmt werden, mit einem oder mehreren Fahrzeugelementen (13) im Weg der Kühlluft (LA) zum Frontkühlermodul (20), und mit einem oder mehreren Lüftern (30) mit Lüfterantrieb (31), dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (25) mindestens eines der Kühlernetze (24) den Bereich hinter den Fahrzeugelementen (13) im Weg der Kühlluft (LA) aussparen.
2. Luftgekühltes Frontkühlermodul (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfterantrieb (31) des oder der Lüfter (30) in wenigstens eines der Kühlernetze (24) hineinragt.
3. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (25) dieses Kühlernetzes (24) den Bereich für den Lüfterantrieb (31) aussparen.
4. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung für den Lüfterantrieb (31 ) im Windschatten eines Stoßfängers (13) liegt.
5. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlernetze (24) schichtförmig senkrecht zur Kühlluft (LA) ange- ordnet sind.
6. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (25) im mittleren Bereich fortgelassen sind.
7. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlernetz (24) mit der Aussparung zwei Teilnetze aufweist, die oberhalb und unterhalb des Lüfterantriebes (31 ) angeordnet sind.
8. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (25) benachbart zur Aussparung von den Rändern zur Mitte divergieren, um die Aussparung zu bilden.
9. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Rohre (25) in dem Bereich hinter den Fahrzeugelementen (13) desjenigen Kühlernetzes (24) fortgelassen sind, das einem Lüfterrad (32) des Lüfters (30) am nächsten liegt.
10. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der vorstehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungen (27) vorgesehen sind, die die Spalte zwischen den Kühlernetzen (24) der Wärmetauscher (21 , 22, 23) verschließen.
11. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgesparte Bereich des Kühlernetzes (24) mit einer Blen- de (40) verschlossen ist.
12. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (40) zumindest teilweise luftdurchlässig ist.
13. Luftgekühltes Frontkühlermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand des Frontkühlermoduls für die Kühlluft (LA) über die vom Lüfterrad (32) überstrichene Fläche durch den Einsatz der luftdurchlässigen Blende (40) annähernd konstant bleibt.
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