DE102008020310A1 - Kraftfahrzeug mit zwei Wärmetauschern - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zwei Wärmetauschern zur Kühlung von Kühlmedien, denen durch getrennte Luftkanäle Luft zuführbar ist. Den Wärmetauschern ist hierbei zumindest ein Gebläse zugeordnet, wobei jedes Gebläse in Richtung auf die Fahrzeugfront vor den Wärmetauschern angeordnet ist. In den Luftkanälen sind weiterhin steuerbare Verschlusseinrichtungen vorgesehen, mit denen der Luftstrom durch die Luftkanäle weiter gesteuert werden kann. Durch unabhängige Steuerung der beiden Gebläse sowie der beiden Verschlusseinrichtungen wird eine optimale Durchströmung des jeweiligen Wärmetauschers mit Luft ermöglicht.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zwei Wärmetauschern zur Kühlung von Kühlmedien nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
- Mit zunehmender Komplexität von Kraftfahrzeugsystemen sowie einer zunehmenden Baudichte und daraus resultierender Stauwärme im Motorraum von Kraftwagen in deren Betrieb besteht ein steigender Kühlbedarf für verschiedene Systeme und Komponenten. Neben einem Hauptwasserkühler, welcher die von einer Kühlflüssigkeit abtransportierte Abwärme des Kraftfahrzeugmotors an die Umgebungsluft abgibt, müssen weiterhin Kühler für Klimakreisläufe und je nach Motorisierung und Kühlkonzept weitere Kühler wie Ladeluftkühler, Lenkhilfekühler, Getriebe- und Ölkühler bereitgestellt werden.
- Die Wärmetauscher dieser Kühlsysteme sind dabei in der Regel im vorderen Bereich des Motorraumes hinter einer Lufteintrittsöffnung angeordnet und verfügen über Gebläse, die bei niedrigen Fahrtgeschwindigkeiten die Kühler mit einem zusätzlichen Luftstrom beaufschlagen können. Die Ausführung solcher Gebläse als Axiallüfter, die motorraumseitig hinter den Wärmetauschern angeordnet sind und damit als Sauglüfter arbeiten, ist dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. In der Regel sind die Wärmetauscher mit rechteckiger Grundfläche ausgeführt, während die Axiallüfter einen kreisringförmigen Strömungsquerschnitt besitzen. Diese Unterschiedlichkeit der Geometrien führt zu einem typischerweise auftretenden inhomogenen Durchströmen der Kühler. Dadurch wird sowohl der Druckverlust in den Luftpfaden spürbar erhöht, als auch die Effektivität der Wärmeabgabe über den Wärmetauscher erheblich reduziert.
- Weiterhin bringt die Anordnung der Gebläse in Strömungsrichtung hinter den Wärmetauschern den Nachteil mit sich, dass die Gebläse dadurch die bereits von den Wärmetauschern erhitzte Luft fördern müssen. Durch das Erhitzen der Luft verringert sich deren Dichte, der von den Gebläsen zu fördernde Volumenstrom erhöht sich dadurch, was wiederum die effektive Förderleistung senkt.
- Eine solche gängige Anordnung von Lüftern und Wärmetauschern in einem Kraftfahrzeug muss bei zwei Betriebsarten, nämlich Langsam- und Schnellfahrt des Kraftfahrzeuges, gleichzeitig zuverlässig arbeiten. Es ist also nicht möglich eine solche Lüfter-Wärmetauscheranordnung auf beide Betriebsarten hin zu optimieren, die Auslegung muss vielmehr einen Mittelweg finden, wodurch Kompromisse in Kauf genommen werden. So muss beispielsweise bei großen Fahrgeschwindigkeiten der zur Kühlung des Wärmetauschers genutzte Fahrtwind in einem üblichen Kühlsystem nach Durchströmen des Wärmetauschers noch den Lüfter durchströmen, was zu einem massiven Druckverlust im Luftpfad führt.
- Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, Druckverluste bei der Durchströmung von Wärmetauschern in einem Kraftfahrzeug zu vermindern und die Effizienz der Wärmeabgabe von den Wärmetauschern an die Umgebungsluft zu erhöhen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- In einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug sind zwei durch eine Trennwand zumindest bereichsweise voneinander getrennte Luftkanäle angeordnet, über welche Luft von einer Lufteintrittsöffnung zu einem ersten und einem zweiten Wärmetauscher leitbar ist. Den beiden Wärmetauschern ist dabei zumindest ein Gebläse zugeordnet. Jedes Gebläse ist in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug in Richtung der Fahrzeugfront vor einem Wärmetauscher angeordnet. Durch die Auftrennung des Kühlluftpfades in zwei getrennte Luftkanäle ist eine Auslegung ermöglicht, die jedem einzelnen der Wärmetauscher gerade die im Verhältnis benötigte Kühlluftmenge zur Verfügung stellt. Die Anordnung der Gebläse in Richtung der Fahrzeugfront vorne ermöglich weiterhin vorteilhaft eine bessere Durchströmung der Wärmetauscher mit Luft, indem die Inhomogenität der Durchströmung der Wärmetauscher über ihre Fläche, die bei gängigen Systemen auftritt, wesentlich verringert werden kann. Dadurch treten geringere Druckverluste auf, was den Luftmassenstrom durch die Wärmetauscher erhöht und damit ihre Kühlleistung verbessert. Aufgrund der verbesserten Kühlleistung ist es dann möglich, die Kühlernetzfläche kleiner auszulegen als bei Kraftfahrzeugen des Standes der Technik und damit Bauraum im Motorraum zu gewinnen.
- In einer bevorzugten Ausführungsform ist vor jedem Wärmetauscher ein Gebläse angeordnet, wobei das erste und das zweite Gebläse bevorzugt unabhängig voneinander steuerbar sind. Dadurch kann für jeden der beiden Wärmetauscher die jeweils genaue benötigte Luftmenge zur Verfügung gestellt werden.
- In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist im ersten und im zweiten Luftkanal jeweils eine steuerbare oder sich durch Staudruck selbsttätig einstellenden Verschlusseinrichtung in Form einer Jalousie oder Staudruckklappe vorgesehen. Wenn in einem der Luftpfade kein Kühlluftbedarf besteht, kann durch diese Verschlusseinrichtungen der jeweilige Luftpfad abgeschlossen werden, was vorteilhaft den aerodynamischen Widerstandsbeiwert cw des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs verringert. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges gesenkt und ein ökonomischerer Betrieb ermöglicht. Durch teilweises Öffnen der Verschlusseinrichtungen ist es auch in Betriebszuständen, in denen kein Bedarf zur Aktivierung des Gebläses besteht, ermöglicht, den Luftmassenstrom durch die beiden Luftkanäle exakt auf den Kühlluftbedarf einzustellen.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Verschlusseinrichtung unabhängig voneinander steuerbar. Damit können die Luftströme durch die beiden Wärmetauscher auch in Betriebszuständen, in denen kein Bedarf zur Aktivierung des Gebläses besteht, unabhängig voneinander gesteuert werden. In einer weiteren Ausführungsform sind die erste und/oder die zweite Verschlusseinrichtung in Form von Verschlusseinrichtungen ausgebildet. Solche Verschlusseinrichtungen können besonders bauraumsparend im Bereich der Luftkanäle verbaut werden.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung zum Steuern des ersten und des zweiten Gebläses sowie der ersten und der zweiten Verschlusseinrichtung vorgesehen. Eine solche Steuereinrichtung ermöglicht eine durchgängig optimierte, kennfeldgesteuerte Regulierung des Luftstroms durch die beiden Luftkanäle und damit durch die beiden Wärmetauscher. Durch geeignete Sensoren erhobene Eingangsdaten, welche die Kühlmitteltemperatur in den beiden Wärmetauschern, die momentane Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder auch weitere Parameter wie Außenlufttemperatur und Lufttemperatur im Motorraum umfassen, werden von der Steuereinrichtung verarbeitet, woraufhin diese die für den durch diese Daten definierten Betriebspunkt besten Einstellungen für die beiden Gebläse und Verschlussseinrichtungen vornimmt. Es kann also für jeden Betriebspunkt des Kraftfahrzeugs jederzeit ein optimaler Kompromiss zwischen einer optimalen Gestaltung des Luftmassenstroms durch die Wärmetauscher und einem Bereitstellen eines möglichst geringen Widerstandsbeiwerts cw des Fahrzeuges definiert werden.
- In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste und/oder das zweite Gebläse als Radialgebläse oder als Querstromgebläse ausgebildet. Solche Gebläsetypen können besonders vorteilhaft leicht seitlich versetzt außerhalb des Hauptluftstroms angeordnet werden. Ein Überblasenwerden des Gebläses durch den Fahrtwind, sowie Druckverluste im Hauptluftstrom infolge der Strömungsbehinderung durch das Gebläse werden somit vorteilhaft vermieden.
- Im Folgenden sollen anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden, wobei
-
1 eine schematische Vorderansicht der beiden Wärmetauscher und zugeordneten Gebläse eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zeigt, -
2 eine schematische Draufsicht auf die Anordnung von Wärmetauschern und Gebläsen im Motorraum eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs zeigt, und -
3 bis5 schematische Seitenansichten von alternativen Anordnungen von Gebläsen und Wärmetauschern im Motorraum eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs darstellen. - In der in
1 dargestellten Ansicht von der Front eines Kraftfahrzeugs aus auf die Wärmetauscher des Fahrzeugs ist zu erkennen, wie ein als Hauptwasserkühler ausgeführter erster Wärmetauscher12 neben einem als Klimakondensator ausgeführten zweiten Wärmetauscher14 angeordnet ist. Zwischen den beiden Wärmetauschern verläuft eine Trennwand16 , die den Luftstrom auf die beiden Wärmetauscher hin in zwei separate Luftkanäle un terteilt. Dem Hauptwasserkühler12 ist ein erstes Gebläse18 zugeordnet, welches in der gezeigten Ausführungsform als Querstromgebläse ausgeführt ist. Ein zweites Querstromgebläse20 ist dem Klimakondensator14 zugeordnet. Durch die Ausführung der beiden Gebläse als Querstromgebläse ist eine seitlich bezüglich der Fahrzeugquerachse y versetzte Positionierung der Gebläse18 und20 ermöglicht, diese liegen also außerhalb des Hauptluftstroms auf eine Kühlnetzfläche22 des Hauptwasserkühlers12 und eine Kühlnetzfläche24 des Klimakondensators14 . Bei schneller Fortbewegung des Fahrzeugs, also in einem Betriebszustand, in welchem durch den Fahrtwind genügend Kühlluft zur Verfügung gestellt wird, behindern die beiden Gebläse14 und16 somit nicht die Anströmung der Kühlnetzflächen22 und24 . - In
2 ist die Anordnung aus1 in Draufsicht gezeigt. Es ist zu erkennen, wie die Trennwand16 den Luftstrom von einer an der Fahrzeugfront (in der2 unten) angeordneten Lufteintrittsöffnung26 auf die Wärmetauscher12 und14 in zwei getrennte Luftkanäle28 und30 aufteilt. Im frontseitigen Bereich der Luftkanäle28 und30 sind dabei als Jalousien ausgebildete Verschlusseinrichtungen32 und34 angeordnet, durch welche die Luftkanäle28 und30 verschlossen werden können. Wenn zumindest einer der Kühler12 und14 keine Kühlluft benötigt, ist durch den Verschluss der zugeordneten Verschlusseinrichtung32 und34 eine entsprechende Verbesserung des Widerstandsbeiwertes cw des Fahrzeugs möglich. Nach Durchtritt durch die Wärmetauscher12 und14 wird die einströmende Luft weiter in einen Motorraum36 und auf den Motor38 des Kraftfahrzeugs gelenkt. In2 ist besonders gut die seitlich versetzte Anordnung der Querstromlüfter18 und20 zu erkennen, es ist deutlich, dass der volle Querschnitt der Luftkanäle28 und30 für die Beaufschlagung der Gebläse12 und14 mit Kühlluft zur Verfügung steht, ohne dass ein Druckverlust an den Lüftern18 und20 auftritt. -
3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs10 mit einer Anordnung von Wärmetauschern und Gebläsen im Motorraum36 . Der Hauptwasserkühler12 ist dabei in Richtung der Fahrzeughochachse z unter dem Klimakondensator14 angeordnet, wobei die beiden Kühler teilweise überlappend angeordnet sind, so dass ein Teilluftstrom des durch den Luftkanal30 geleiteten Luftstromes nach Durchtritt durch den Klimakondensator14 auch noch einen Teil des Hauptwasserkühlers12 durchströmt. Die Trennwand16 verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Fronthaube40 bzw. einer Bodenverkleidung42 (in der Figur unten) des Motorraums36 . Das dem Hauptwasserkühler12 zugeordnete Gebläse18 ist dabei in einem unteren Bereich des Luftkanals28 nahe der Bodenverkleidung42 angeordnet und liegt in Richtung zur Fahrzeugfront vor dem Hauptwasserkühler12 . Das dem Klimakondensator14 zugeordnete Gebläse20 ist im oberen Bereich des Luftkanals30 nahe der Fronthaube40 angeordnet und liegt ebenfalls in Fahrtrichtung des Fahrzeuges betrachtet vor dem Klimakondensator14 und dem Hauptwasserkühler12 . Von den Gebläsen18 und20 zieht sich jeweils eine Verschlusseinrichtung32 ,34 schräg nach vorne auf die Fahrzeugfront zum Verschließen der Luftkanäle28 und30 zu. -
4 zeigt eine weitere alternative Anordnung der Gebläse18 und20 , wobei die Anordnung von Hauptwasserkühler12 und Klimakondensator14 sowie die Aufteilung der Luftkanäle28 und30 der in3 gezeigten entspricht. Die Gebläse18 und20 sind hierbei im Bereich der Trennwand16 angeordnet, und über eine Haltervorrichtung19 mit dieser verbunden. Die Verschlusseinrichtungen32 und34 , über die der Luftstrom in die Luftkanäle28 und30 unterbrochen werden kann, verlaufen ausgehend vom zugeordneten Gebläse18 ,20 in Richtung der Fahrzeughochachse und schließen mit der Bodenverkleidung42 bzw. der Fronthaube40 ab. - Eine weitere alternative Anordnung, die mit nur einem Gebläse
20' auskommt, ist in5 gezeigt. Auch hier entspricht die Anordnung von Hauptwasserkühler12 und Klimakondensator14 derjenigen in den3 und4 . Das einzige Gebläse20' in dieser Anordnung ist dabei vor dem Klimakondensator14 in Richtung der Fahrzeughochachse oben direkt unter der Fronthaube40 angebracht. Die Verschlusseinrichtung34 verläuft schräg vom Gebläse20' in Richtung der Fahrzeugfront auf ein kurzes Trennelement16' zu. Die Verschlusseinrichtung32 ist in Richtung der Fahrzeughochachse unter dem Trennelement16' angeordnet, und bildet einen steuerbaren Verschluss für einen unteren Teil der Lufteintrittsöffnung26 , über die die Luft ohne Unterstützung des Gebläses20' auf den Hauptwasserkühler12 strömen kann. Hinter dem Hauptwasserkühler12 ist eine weitere Verschlusseinrichtung32' angebracht, welche den Teilbereich, in dem sich der Hauptwasserkühler12 nicht mit dem Klimakondensator14 überlappt, abdeckt, und eine zusätzliche Feinregelung des Luftstromes ermöglicht. - In allen gezeigten Ausführungsformen ist weiterhin eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Steuern der Gebläse
18 und20 sowie der Verschlusseinrichtungen32 und34 vorgesehen. Durch die unabhängige Steue rung der Gebläse und der Verschlusseinrichtungen ist eine Optimierung des Luftdurchsatzes durch die Luftkanäle28 und30 für verschiedene Betriebspunkte des Fahrzeugs ermöglicht. - Besteht im Leerlauf bzw. bei kleinen Fahrtgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs kein Lüftungsbedarf, so sind beide Verschlusseinrichtungen
32 und34 geschlossen, die Gebläse18 und20 sind außer Betrieb. Der Energieverbrauch durch die Gebläse ist in diesem Betriebszustand minimiert, der Widerstandsbeiwert cw des Kraftfahrzeugs ist optimal niedrig. Meldet nun bei gleicher Fahrtgeschwindigkeit ein hierzu bereitgestellter Sensor (nicht gezeigt) einen Kühlluftbedarf des Klimakondensators14 , so wird von der Steuereinrichtung lediglich das Gebläse20 aktiviert, die Verschlusseinrichtungen bleiben weiterhin geschlossen. Ebenso wird bei einem durch einen weiteren hierzu bereitgestellten Sensor (nicht gezeigt) festgestellten Kühlluftbedarf des Hauptwasserkühlers12 lediglich um das Gebläse18 aktiviert, bei Langsamfahrt oder im Leerlauf bleiben die Verschlusseinrichtungen32 und34 weiterhin geschlossen. So bleibt also bei langsamer Fahrt des Kraftfahrzeugs der Luftwiderstandsbeiwert cw jederzeit bestmöglich, es wird jeweils nur dasjenige Gebläse aktiviert, welches tatsächlich benötigt wird. Dadurch wird weitere Energie eingespart und der Betrieb des Kraftfahrzeuges ökonomischer gestaltet. - Bei schneller Fahrt des Kraftfahrzeuges bleiben wiederum beide Lüfter
18 und20 deaktiviert und die Verschlusseinrichtungen32 und34 geschlossen, solange keiner der Sensoren einen Kühlluftbedarf an die Steuereinrichtung meldet. Meldet die Klimaanlage einen Kühlluftbedarf für den Klimakondensator14 , so wird von der Steuereinrichtung lediglich die Verschlusseinrichtung34 geöffnet, Verschlusseinrichtung32 bleibt geschlossen, die Gebläse18 und20 außer Betrieb. Durch ein selektives Öffnen lediglich der Verschlusseinrichtung34 für den Kühlluftkanal30 des Klimakondensators14 wird wiederum eine Verschlechterung des Strömungswiderstandsbeiwerts cw des Kraftfahrzeugs vermieden. Meldet der entsprechende Sensor einen Kühlluftbedarf für den Hauptwasserkühler12 , so wird durch die Steuereinrichtung die Verschlusseinrichtung32 geöffnet, so dass Fahrtwind durch den Luftkanal38 auf den Hauptwasserkühler12 strömen kann. Die Gebläse20 und18 bleiben weiterhin außer Betrieb. - Für jeden Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ist somit ein entsprechender Betriebszustand der Anordnung von Wärmetauschern
12 und14 , Gebläsen18 und20 , sowie Verschlusseinrichtungen32 und34 vorgesehen. Das Kraftfahrzeug10 wird also in jedem Betriebszustand derart mit Kühlluft versorgt, dass ein optimaler Kompromiss zwischen Kühlluftzufuhr an die Wärmetauscher, Energieverbrauch der Gebläse18 und20 , sowie niedriger Festlegung des Luftwiderstandsbeiwerts cw des Kraftfahrzeugs10 gewährleistet ist.
Claims (10)
- Kraftfahrzeug (
10 ) mit zwei Wärmetauschern (12 ,14 ) zur Kühlung von Kühlmedien, bei dem ein erster Luftkanal (28 ), über welchen Luft von einer Lufteintrittsöffnung (26 ) zu einem ersten der Wärmetauscher (12 ) leitbar ist, durch eine Trennwand (16 ) von einem zweiten Luftkanal (30 ), über welchen Luft von der Lufteintrittsöffnung (26 ) zu einem zweiten der Wärmetauscher (30 ) leitbar ist, zumindest bereichsweise abgetrennt ist, wobei zumindest ein Gebläse (18 ,20 ) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes einem Wärmetauscher zugeordnete Gebläse (18 ,20 ) in Richtung der Fahrzeugfront vor einem Wärmetauscher (12 ,14 ) angeordnet ist. - Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Wärmetauscher (
12 ) ein erstes Gebläse (18 ) und vor dem zweiten Wärmetauscher (14 ) ein zweites Gebläse (20 ) angeordnet ist. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (18 ) und das zweite Gebläse (20 ) unabhängig voneinander steuerbar sind. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Luftkanal (28 ) eine erste steuerbare oder sich durch Staudruck selbsttätig einstellende Verschlusseinrichtung (32 ) vorgesehen ist. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Luftkanal (30 ) eine zweite steuerbare oder sich durch Staudruck selbsttätig einstellende Verschlusseinrichtung (34 ) vorgesehen ist. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach Anspruch 5 in dessen Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (32 ) und die zweite Verschlusseinrichtung (34 ) unabhängig steuerbar sind. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (32 ) und/oder die zweite Verschlusseinrichtung (34 ) als Jalousie ausgebildet ist. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Steuern des ersten (18 ) und des zweiten Gebläses (20 ) sowie bei Rückbezug auf einen der Ansprüche 3 bis 6 der ersten (32 ) und der zweiten Verschlusseinrichtung (34 ). - Kraftfahrzeug (
10 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (18 ) und/oder das zweite Gebläse (20 ) als Radialgebläse oder als Querstromgebläse ausgebildet ist. - Kraftfahrzeug (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (12 ) und der zweite Wärmetauscher (14 ) zumindest bereichsweise eine gemeinsame Teilfläche eine Luftkanals (28 ,30 ) abdecken.
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