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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zwei Wärmetauschern zur Kühlung von Kühlmedien nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
DE 10 2006 062 116 A1 ist eine Kühleranordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welcher zwei Kühler horizontal nebeneinander angeordnet sind und jedem Kühler ein Lüfter zugeordnet ist. Mittels eines verstellbaren Luftleitelements kann die Verteilung der Luftmenge zwischen den Kühlern eingestellt werden.
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Die
DE 10 2005 025 081 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Regulierung eines Luftstroms zur Motorkühlung, bei welcher der Luftstrom zu einem Kühler durch ein einstellbares Abdeckelement regulierbar ist.
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In der
DE 102 35 192 A1 ist ein Kühlsystem für Fahrzeuge offenbart, bei welchem zwei Luftströmungspfade vorgesehen sind, wobei eine Luftfördereinrichtung außerhalb des ersten Luftströmungspfads angeordnet ist.
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Die
DE 199 10 651 A1 beschreibt eine Motorkühlvorrichtung, bei welcher zwei Wärmetauscher überdeckend angeordnet sind, wobei durch die Wärmetauscher tretende Luft mittels eines Gebläses abgeführt wird.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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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.
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Weiterhin ist das zumindest eine Gebläse als Radialgebläse oder als Querstromgebläse ausgebildet ist. 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.
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Darüber hinaus ist im ersten Luftkanal eine erste Verschlusseinrichtung vorgesehen und im zweiten Luftkanal eine zweite Verschlusseinrichtung vorgesehen, wobei das zumindest eine Gebläse bei geschlossener erster und zweiter Verschlusseinrichtung aktivierbar ist. 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.
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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.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist im ersten und im zweiten Luftkanal jeweils die steuerbare oder sich durch Staudruck selbsttätig einstellenden Verschlusseinrichtung in Form einer Jalousie oder Staudruckklappe vorgesehen.
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.
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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.
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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 und 4 schematische Seitenansichten von alternativen Anordnungen von Gebläsen und Wärmetauschern im Motorraum eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs darstellen, und
- 5 eine schematische Seitenansicht von Gebläsen undWärmetauschern im Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
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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 Wärmetauscher 12 neben einem als Klimakondensator ausgeführten zweiten Wärmetauscher 14 angeordnet ist. Zwischen den beiden Wärmetauschern verläuft eine Trennwand 16, die den Luftstrom auf die beiden Wärmetauscher hin in zwei separate Luftkanäle unterteilt. Dem Hauptwasserkühler 12 ist ein erstes Gebläse 18 zugeordnet, welches in der gezeigten Ausführungsform als Querstromgebläse ausgeführt ist. Ein zweites Querstromgebläse 20 ist dem Klimakondensator 14 zugeordnet. Durch die Ausführung der beiden Gebläse als Querstromgebläse ist eine seitlich bezüglich der Fahrzeugquerachse y versetzte Positionierung der Gebläse 18 und 20 ermöglicht, diese liegen also außerhalb des Hauptluftstroms auf eine Kühlnetzfläche 22 des Hauptwasserkühlers 12 und eine Kühlnetzfläche 24 des Klimakondensators 14. Bei schneller Fortbewegung des Fahrzeugs, also in einem Betriebszustand, in welchem durch den Fahrtwind genügend Kühlluft zur Verfügung gestellt wird, behindern die beiden Gebläse 18 und 20 somit nicht die Anströmung der Kühlnetzflächen 22 und 24.
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In 2 ist die Anordnung aus 1 in Draufsicht gezeigt. Es ist zu erkennen, wie die Trennwand 16 den Luftstrom von einer an der Fahrzeugfront (in der 2 unten) angeordneten Lufteintrittsöffnung 26 auf die Wärmetauscher 12 und 14 in zwei getrennte Luftkanäle 28 und 30 aufteilt. Im frontseitigen Bereich der Luftkanäle 28 und 30 sind dabei als Jalousien ausgebildete Verschlusseinrichtungen 32 und 34 angeordnet, durch welche die Luftkanäle 28 und 30 verschlossen werden können. Wenn zumindest einer der Kühler 12 und 14 keine Kühlluft benötigt, ist durch den Verschluss der zugeordneten Verschlusseinrichtung 32 und 34 eine entsprechende Verbesserung des Widerstandsbeiwertes cw des Fahrzeugs möglich. Nach Durchtritt durch die Wärmetauscher 12 und 14 wird die einströmende Luft weiter in einen Motorraum 36 und auf den Motor 38 des Kraftfahrzeugs gelenkt. In 2 ist besonders gut die seitlich versetzte Anordnung der Querstromlüfter 18 und 20 zu erkennen, es ist deutlich, dass der volle Querschnitt der Luftkanäle 28 und 30 für die Beaufschlagung der Gebläse 12 und 14 mit Kühlluft zur Verfügung steht, ohne dass ein Druckverlust an den Lüftern 18 und 20 auftritt.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 10 mit einer Anordnung von Wärmetauschern und Gebläsen im Motorraum 36. Der Hauptwasserkühler 12 ist dabei in Richtung der Fahrzeughochachse z unter dem Klimakondensator 14 angeordnet, wobei die beiden Kühler teilweise überlappend angeordnet sind, so dass ein Teilluftstrom des durch den Luftkanal 30 geleiteten Luftstromes nach Durchtritt durch den Klimakondensator 14 auch noch einen Teil des Hauptwasserkühlers 12 durchströmt. Die Trennwand 16 verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Fronthaube 40 bzw. einer Bodenverkleidung 42 (in der Figur unten) des Motorraums 36. Das dem Hauptwasserkühler 12 zugeordnete Gebläse 18 ist dabei in einem unteren Bereich des Luftkanals 28 nahe der Bodenverkleidung 42 angeordnet und liegt in Richtung zur Fahrzeugfront vor dem Hauptwasserkühler 12. Das dem Klimakondensator 14 zugeordnete Gebläse 20 ist im oberen Bereich des Luftkanals 30 nahe der Fronthaube 40 angeordnet und liegt ebenfalls in Fahrtrichtung des Fahrzeuges betrachtet vor dem Klimakondensator 14 und dem Hauptwasserkühler 12. Von den Gebläsen 18 und 20 zieht sich jeweils eine Verschlusseinrichtung 32, 34 schräg nach vorne auf die Fahrzeugfront zum Verschließen der Luftkanäle 28 und 30 zu.
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4 zeigt eine weitere alternative Anordnung der Gebläse 18 und 20, wobei die Anordnung von Hauptwasserkühler 12 und Klimakondensator 14 sowie die Aufteilung der Luftkanäle 28 und 30 der in 3 gezeigten entspricht. Die Gebläse 18 und 20 sind hierbei im Bereich der Trennwand 16 angeordnet, und über eine Haltervorrichtung 19 mit dieser verbunden. Die Verschlusseinrichtungen 32 und 34, über die der Luftstrom in die Luftkanäle 28 und 30 unterbrochen werden kann, verlaufen ausgehend vom zugeordneten Gebläse 18, 20 in Richtung der Fahrzeughochachse und schließen mit der Bodenverkleidung 42 bzw. der Fronthaube 40 ab.
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Eine weitere alternative nicht zur Erfindung gehörige Anordnung, die mit nur einem Gebläse 20' auskommt, ist in 5 gezeigt. Auch hier entspricht die Anordnung von Hauptwasserkühler 12 und Klimakondensator 14 derjenigen in den 3 und 4. Das einzige Gebläse 20' in dieser Anordnung ist dabei vor dem Klimakondensator 14 in Richtung der Fahrzeughochachse oben direkt unter der Fronthaube 40 angebracht. Die Verschlusseinrichtung 34 verläuft schräg vom Gebläse 20' in Richtung der Fahrzeugfront auf ein kurzes Trennelement 16' zu. Die Verschlusseinrichtung 32 ist in Richtung der Fahrzeughochachse unter dem Trennelement 16' angeordnet, und bildet einen steuerbaren Verschluss für einen unteren Teil der Lufteintrittsöffnung 26, über die die Luft ohne Unterstützung des Gebläses 20' auf den Hauptwasserkühler 12 strömen kann. Hinter dem Hauptwasserkühler 12 ist eine weitere Verschlusseinrichtung 32' angebracht, welche den Teilbereich, in dem sich der Hauptwasserkühler 12 nicht mit dem Klimakondensator 14 überlappt, abdeckt, und eine zusätzliche Feinregelung des Luftstromes ermöglicht.
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In allen gezeigten Ausführungsformen ist weiterhin eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Steuern der Gebläse 18 und 20 sowie der Verschlusseinrichtungen 32 und 34 vorgesehen. Durch die unabhängige Steuerung der Gebläse und der Verschlusseinrichtungen ist eine Optimierung des Luftdurchsatzes durch die Luftkanäle 28 und 30 für verschiedene Betriebspunkte des Fahrzeugs ermöglicht.
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Besteht im Leerlauf bzw. bei kleinen Fahrtgeschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs kein Lüftungsbedarf, so sind beide Verschlusseinrichtungen 32 und 34 geschlossen, die Gebläse 18 und 20 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 Klimakondensators 14, so wird von der Steuereinrichtung lediglich das Gebläse 20 aktiviert, die Verschlusseinrichtungen bleiben weiterhin geschlossen. Ebenso wird bei einem durch einen weiteren hierzu bereitgestellten Sensor (nicht gezeigt) festgestellten Kühlluftbedarf des Hauptwasserkühlers 12 lediglich um das Gebläse 18 aktiviert, bei Langsamfahrt oder im Leerlauf bleiben die Verschlusseinrichtungen 32 und 34 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.
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Bei schneller Fahrt des Kraftfahrzeuges bleiben wiederum beide Lüfter 18 und 20 deaktiviert und die Verschlusseinrichtungen 32 und 34 geschlossen, solange keiner der Sensoren einen Kühlluftbedarf an die Steuereinrichtung meldet. Meldet die Klimaanlage einen Kühlluftbedarf für den Klimakondensator 14, so wird von der Steuereinrichtung lediglich die Verschlusseinrichtung 34 geöffnet, Verschlusseinrichtung 32 bleibt geschlossen, die Gebläse 18 und 20 außer Betrieb. Durch ein selektives Öffnen lediglich der Verschlusseinrichtung 34 für den Kühlluftkanal 30 des Klimakondensators 14 wird wiederum eine Verschlechterung des Strömungswiderstandsbeiwerts cw des Kraftfahrzeugs vermieden. Meldet der entsprechende Sensor einen Kühlluftbedarf für den Hauptwasserkühler 12, so wird durch die Steuereinrichtung die Verschlusseinrichtung 32 geöffnet, so dass Fahrtwind durch den Luftkanal 38 auf den Hauptwasserkühler 12 strömen kann. Die Gebläse 20 und 18 bleiben weiterhin außer Betrieb.
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Für jeden Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ist somit ein entsprechender Betriebszustand der Anordnung von Wärmetauschern 12 und 14, Gebläsen 18 und 20, sowie Verschlusseinrichtungen 32 und 34 vorgesehen. Das Kraftfahrzeug 10 wird also in jedem Betriebszustand derart mit Kühlluft versorgt, dass ein optimaler Kompromiss zwischen Kühlluftzufuhr an die Wärmetauscher, Energieverbrauch der Gebläse 18 und 20, sowie niedriger Festlegung des Luftwiderstandsbeiwerts cw des Kraftfahrzeugs 10 gewährleistet ist.