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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem sowie einem zugeordneten Ansaugsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein im Kraftfahrzeug verbautes Brennstoffzellensystem weist in gängiger Praxis eine Brennstoffzelle auf, der Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas auf der Anodenseite als Brennstoff sowie Frischluft als Sauerstofflieferant auf der Kathodenseite zuführbar ist. Dem Brennstoffzellensystem ist ein Ansaugsystem zugeordnet, mit dem der Brennstoffzelle zugeführte Ladeluft zugeführt wird. Das Ansaugsystem ist aus einem Luftfilter und einem Verdichter aufgebaut, mit dem die zuzuführende Ladeluft verdichtet wird. Die druckseitig aus dem Verdichter austretende, verdichtete Ladeluft weist eine vergleichsweise hohe Prozesstemperatur auf. Dadurch besteht ein Risiko, dass die heiße, druckbeaufschlagte Ladeluft zu einer thermischen Beschädigung der Brennstoffzelle führen kann. Um eine solche thermische Beschädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden, ist aus der
DE 10 2012 018 874 A1 ein gattungsgemäßes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, dessen Ansaugsystem zusätzlich einen Ladeluftkühler aufweist, mit dem die dem Brennstoffzellensystem zugeführte druckbeaufschlagte Ladeluft gekühlt werden kann.
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Das Brennstoffzellensystem ist üblicherweise im Vorderwagen verbaut. Für den Fall, dass das Brennstoffzellensystem nicht im Vorderwagen, sondern im Fahrzeugboden des Fahrzeugs verbaut ist, ergeben sich die folgenden Nachteile: So kann die bodenseitige Anordnung des Brennstoffzellensystems eine Positionierung des Ansaugsystems im Fahrzeug ergeben, die im Hinblick auf ein Gesamtfahrzeug-Package baulich ungünstig ist. Zudem müssen sämtliche Medienleitungen (das heißt Frischluft, Kühlwasser und Abgas) durch das komplette Fahrzeug geleitet werden. Bei einer solchen Medienführung ergeben sich nachteilige Druckverluste. Aufgrund von Lage-Restriktionen im Fahrzeug muss das zugeordnete Ansaugsystem (Luftfilter und Verdichter) für die Frischluft im Hinterwagen positioniert werden. Aufgrund solcher komplexen Gegebenheiten ist es aus Sicht des Gesamtfahrzeug-Package sehr ungünstig, den zur Ladeluft-Kühlung erforderlichen Ladeluftkühler in der zum Brennstoffzellensystem geführten Ansaugstrecke zu verbauen.
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Aus der
DE 10 37 870 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Kühler zur Kühlung einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs bekannt. Aus der
DE 10 2016 203 890 A1 ist ein Karosseriestrukturelement für ein Fahrzeug mit integriertem Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellensystem bereitzustellen, dessen zugeordnetes Ansaugsystem bauraumgünstig im Kraftfahrzeug verbaubar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß ist der Ladeluftkühler nicht mehr als eine eigenständige separate Funktionseinheit (d.h. ein Wärmetauscher) im Fahrzeug verbaut. Vielmehr wird erfindungsgemäß ein Strukturelement der Fahrzeug-Karosserie in Doppelfunktion zusätzlich als ein solcher Ladeluftkühler verwendet. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Ladeluftleitung in der Fahrzeuglängsrichtung zumindest teilweise durch einen Karosserie-Längsträger der Fahrzeugkarosserie geführt. Der Karosserie-Längsträger wirkt dabei nicht nur als ein Strukturelement, sondern zusätzlich in Doppelfunktion auch als ein Ladeluftkühler.
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Erfindungsgemäß kann also - anstelle eines zusätzlichen Wärmetauschers (d.h. Ladeluftkühler) zur Konditionierung der erwärmten Ladeluft - der Karosserielängsträger als Wärmetauscher fungieren. Aufgrund der Gegebenheit, dass die Luftführung innerhalb des Längsträgers verbaut ist, wird der Längsträger als Wärmetauscher mit Hilfe zusätzlichen Kühlflächen beaufschlagt. Die Luft gibt die Wärme an das Material des Längsträgers ab und dieser wiederum an die umströmende Luft der Fahrzeugumströmung, ähnlich einem luftgekühlten Verbrennungsmotor. Die Kühlrippen können neben der Wärmeabfuhr gleichzeitig der Längsträgerstruktur mehr Steifigkeit bewirken, wodurch dieser im Crashfall seine Crash-Performance hinsichtlich Versagen durch gezieltes Hochfalten verbessert. Die Kühlrippen können direkt in den Fertigungsprozess des Längsträgers integriert werden z. B. Strangpressen oder können auch als zusätzliches Teil in den Montageprozess eingebracht werden.
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Eine weitere Alternative der Luftkühlung ist der gezielte Wärmeaustausch innerhalb der Längsträgerstruktur durch einen, im Längsträger strömenden Kühlluftstrom, der über gezielte Ansaugstellen (z. B. NACA-Öffnungen) in den Längsträger geleitet wird. Das Kühlprinzip ähnelt der eines Luft-Luft-Wärmetauschers.
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Gemäß einer Ausführungsvariante kann eine Luft-Wasser-Kühlung vorgesehen sein, bei der die verdichtete Ladeluft mittels Kühlwasser gekühlt wird. Hierbei ist eine Kühlung des Ladeluftstroms durch eine im Längsträger strömende Kühlflüssigkeit vorgesehen. Dabei wird z.B. der Hauptkühlwasserkreislauf in den Längsträger eingeleitet und kühlt das Kühlwasser nach dem Prinzip eines Luft-Wasser-Wärmetauschers die erwärmte, verdichtete Luft aus dem Verdichter. Das Kühlwasser wird am Ende des Längsträgers wieder in den Kühlkreislauf eingespeist und entsprechend über den Hauptkühlkreislauf gekühlt (Luft-Wasser-Wärmetauscher).
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Gemäß einer weiteren Alternative kann eine Luft-Wasserdampf-Kühlung erfolgen, d.h. eine Kühlung durch Verdampfungsenthalpie. In diesem Fall ist eine Kühlung des Ladeluftstroms über die Kühlung durch Verdampfungsenthalpie vorgesehen. Dazu wird das entstehende Wasser aus der Brennstoffzelle in Richtung Längsträgerstruktur geleitet (Abgasstrom) und auf die Luftführung innerhalb des Längsträgers gesprüht. Durch die Verdampfung des Kühlwassers an der Oberfläche der Luftführung entzieht der Wechsel des Aggregatzustands von flüssig auf gasförmig der verdichteten Luft die Wärme und kühlt die Luft somit ab (ein ähnliches Kühlprinzip wird in Hochleistungs-Ottomotoren zur inneren Gemischkühlung angewandt).
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Nachfolgend sind Aspekte der Erfindung im Einzelnen hervorgehoben: So kann in einer technischen Umsetzung kann das Ansaugsystem nicht mehr (wie im Stand der Technik üblich) im Vorderwagen positioniert sein, sondern vielmehr in einem Fahrzeugboden (insbesondere einer Sandwich-Bodenstruktur). In diesem Fall müssen sämtliche Medienleitungen (Frischluft, Kühlwasser und Abgas) durch das komplette Fahrzeug geleitet werden. Das Brennstoffzellensystem kann bei der obigen Einbausituation um einen Längsversatz in der Fahrzeuglängsrichtung nach vorne versetzt zum Ansaugsystem angeordnet sein. Der Längsversatz zwischen dem heckseitigen Ansaugsystem und dem vorderen Brennstoffzellensystem wird von der im Karosserie-Längsträger verlegten Ladeluftleitung überbrückt.
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In einer technischen Umsetzung kann der Karosserie-Längsträger ein Hohlträger sein, der ein im Querschnitt geschlossenes Hohlprofil aufweist. Durch den Hohlträger kann die Ladeluftleitung verlegt bzw. geführt sein. Zusammen mit der Ladeluftleitung kann bevorzugt auch eine zusätzliche Kühlmediumleitung durch den Karosserie-Längsträger geführt sein. Diese ist im Hinblick auf einen einwandfreien Wärmeübergang in thermischem Kontakt mit der Ladeluftleitung.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann die Ladeluftleitung mit freiem Abstand zur Hohlträger-Wandung durch den Karosserie-Längsträger geführt werden, und zwar unter Bildung eines Durchlassspalts zwischen der Ladeluftleitung und der Hohlträger-Wandung. Der Durchlassspalt kann die oben erwähnte Kühlmediumleitung definieren. In diesem Fall ist die Kühlmediumleitung im Querschnitt betrachtet zwischen dem Außenumfang der Rohrwandung der Ladeluftleitung und der Hohlträger-Wandung begrenzt.
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In der obigen Ausführungsvariante durchströmt das Kühlmedium den Karosserie-Längsträger innenseitig. Im Gegensatz dazu kann in einer weiteren Ausführungsvariante die durch den Karosserie-Längsträger geführte Ladeluftleitung in thermischer Verbindung mit der Hohlträger-Wandung des Karosserie-Längsträgers gebracht sein. In diesem Fall kann der Karosserie-Längsträger außenseitig mit Kühlmedium umströmt sein.
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Die oben erwähnte thermische Verbindung zwischen der Ladeluftleitung und der Hohlträger-Wandung kann bevorzugt durch Wärmebrücken, insbesondere durch wärmeleitende Blechstege, realisiert sein, um einen einwandfreien Wärmeübergang zu erreichen. Die Blechstege können den Durchlassspalt zwischen der Ladeluftleitung und der Hohlträger-Wandung überbrücken.
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Alternativ und/oder zusätzlich kann zur Steigerung der Kühlleistung der Karosserie-Längsträger außenseitig mit Kühlrippen ausgebildet sein, die von Umgebungsluft umströmbar sind. Die Kühlrippen dienen in Doppelfunktion gleichzeitig auch als Längsträgerstrukturversteifung für den Crashfall (Kein Hochklappen der Längsträgerstruktur im Crashfall).
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Ladeluftleitung und die Kühlmediumleitung in einer Doppelrohr-Anordnung integriert sein, die eine radial innere Rohrwandung und eine radial äußere Rohrwandung aufweist. Die Innenwandung und die Außenwandung sind um einen Durchlassspalt voneinander beabstandet, der die Kühlmediumleitung bildet. Die radial innere Rohrwandung begrenzt dagegen die Ladeluftleitung. Die Außenwandung kann über einen freien Durchlassspalt von der Hohlträger-Wandung beabstandet sein, um ein einfaches Verlegen der Doppelrohr-Anordnung in der Fahrzeug-Karosserie zu ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann dem Karosserie-Längsträger ein Kühlsystem mit einer Sprüheinrichtung zugeordnet sein. Mittels der Sprüheinrichtung kann das Kühlmedium auf eine Außenumfangsfläche der Ladeluftleitung aufgesprüht werden, und zwar unter Bildung eines Kühlmediumfilms auf der Außenumfangsfläche der Ladeluftleitung. Die Kühlung der Ladeluftleitung erfolgt somit unter Nutzung der sich beim Verdampfen des Kühlmediumfilms ergebenden Verdampfungsenthalpie, wodurch die Kühlleistung im Vergleich zu einer üblichen Kühlmedium-Umströmung gesteigert werden kann.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer grob schematischen Darstellung von oben ein Fahrzeug mit darin integriertem Brennstoffzellensystem;
- 2 und 3 jeweils im Karosserie-Längsträger geführte Ladeluft- und Kühlmediumleitungen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 und 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Karosserie-Längsträgers;
- 6 und 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Karosserie-Längsträgers; sowie
- 8 und 9 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Karosserie-Längsträgers.
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In der 1 ist mit strichpunktierter Linie ein Fahrzeug-Umriss in einer Ansicht von oben angedeutet. Der Fahrzeugantrieb weist ein Brennstoffzellensystem 5 auf, das in der 1 lediglich nur insoweit dargestellt ist, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Dem Brennstoffzellensystem 5 ist ein Ansaugsystem 3 zugeordnet, das im Hinterwagen 1 des Fahrzeugs angeordnet ist. Das Ansaugsystem 3 ist in der 1 zweiteilig aufgebaut, und zwar aus einem Luftfilter 7 und einem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Verdichter 9. Mittels des Ansaugsystems 3 wird Frischluft von der Fahrzeug-Umgebung angesaugt und im Verdichter 9 komprimiert. Der Verdichter 9 ist an seiner Druckseite über eine Ladeluftleitung 11 mit dem Brennstoffzellensystem 5 strömungstechnisch verbunden. Gemäß der 1 ist die das Brennstoffzellensystem 5 über einen Längsversatz Δx vor dem Ansaugsystem 3 im Fahrzeug verbaut, zum Beispiel in einem Fahrzeugboden. Der Längsversatz Δx wird in der 1 von der Ladeluftleitung 11 überbrückt.
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Wie aus der 1 weiter hervorgeht, verläuft die Ladeluftleitung 11 bauraumgünstig innerhalb eines als Hohlträger ausgeführten Karosserie-Längsträgers 13. Der Karosserie-Längsträger 13 begrenzt innenseitig im Querschnitt yz betrachtet (2) ein nach außen geschlossenes Hohlprofil, durch das die Ladeluftleitung 11 verlegt ist.
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In der 2 oder 3 ist die Ladeluftleitung 11 mit Abstand a zur Hohlträger-Wandung durch den Karosserie-Längsträger 13 geführt, und zwar unter Bildung eines Strömungsspalts 15 (2 oder 3), der als eine Kühlmediumleitung wirkt. In der 2 oder 3 wird der Strömungsspalt 15 (das heißt die Kühlmediumleitung) durch den Karosserie-Längsträger 13 geführt und von Umgebungsluft durchströmt. Hierzu weist der Karosserie-Längsträger 13 in der 3 einen strömungsgünstig angeordneten Lufteinlass 17 sowie einen ebenfalls strömungsgünstig angeordneten Luftlauslass 19 auf, zwischen denen die Umgebungsluft bei einer Fahrzeugfahrt in Fahrtrichtung FR als Kühlmedium K eingeführt wird.
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In der 2 oder 3 ist die durch den Karosserie-Längsträger 13 geführte Ladeluftleitung 11 außer thermischer Verbindung mit der Hohlträger-Wandung des Karosserie-Längsträgers 13 und ist der Karosserie-Längsträger 13 vom Kühlmedium (Umgebungsluft) innendurchströmt. Auf diese Weise ergibt sich innerhalb des Karosserie-Längsträgers 13 eine Luft-Luft-Kühlung.
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Im Unterschied dazu ist in den 4 und 5 der Karosserie-Längsträger 13 nicht mehr vom Kühlmedium K (Umgebungsluft) innendurchströmt, sondern außenumströmt. Im Hinblick auf eine gute Kühlleistung weist der Karosserie-Längsträger 13 außenseitig Kühlrippen 21 auf, die im Fahrbetrieb von Fahrtwind umströmbar sind. Zur Steigerung eines Wärmeübergangs zwischen der Hohlträger-Wandung des Karosserie-Längsträgers 13 und der im Karosserie-Längsträger 13 verlegten Ladeluftleitung 11 sind in den 4 und 5 als Wärmebrücken Blechstege 23 vorgesehen, die den freien Durchlassspalt 15 im Karosserie-Längsträger 13 überbrücken.
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In den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Ladeluftleitung 11 und die Kühlmediumleitung in einer Doppelrohr-Anordnung 26 integriert sind. Die Doppelrohr-Anordnung 26 weist eine radial innere Rohrwandung 25 auf, die die Ladeluftleitung 11 begrenzt, und eine radial äußere Rohrwandung 27, die über einen Ringspalt 29 von der radial inneren Rohrwandung 25 beabstandet ist. Der Ringspalt 29 bildet die Kühlmediumleitung. Beispielhaft ist in den 6 und 7 das Kühlmedium K Kühlwasser, das über Anschlüsse in den Ringspalt 29 der Doppelrohr-Anordnung 26 ein- und ausgeleitet wird.
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Im Hinblick auf ein einfaches Verlegen der Doppelrohr-Anordnung 26 ist zwischen der radial äußeren Rohrwandung 27 und der Hohlträger-Wandung nach wie vor ein Durchlassspalt 15 vorhanden, so dass die Doppelrohr-Anordnung 26 lose durch das Hohlprofil des Karosserie-Längsträgers 13 verlegbar ist.
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In den 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem keine Luft-Luft-Kühlung erfolgt, sondern vielmehr eine Luft-Wasserdampf-Kühlung. Hierzu ist dem Karosserie-Längsträger 13 ein Kühlsystem mit einer Sprüheinrichtung 29 zugeordnet. Die Sprüheinrichtung weist in Fahrzeuglängsrichtung x voneinander beabstandete Sprühdüsen 31 auf, die vom Kühlsystem mit Kühlmedium (das heißt Wasser) versorgt werden. Mittels der Sprühdüsen 31 wird auf eine Außenumfangsfläche der Ladeluftleitung 11 ein Kühlmediumfilm aufgesprüht. Die Kühlung erfolgt somit unter Nutzung der sich beim Verdampfen des Kühlmediumfilms ergebenden Verdampfungsenthalpie.
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Zur Steigerung des Kühleffekts ist es bevorzugt, wenn der freie Durchlassspalt 15 zwischen der Ladeluftleitung 13 und der Hohlträger-Wandung des Karosserie-Längsträgers 13 zusätzlich noch mit einem weiteren Kühlmedium (das heißt mit Umgebungsluft) durchströmt wird, wie es in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen gezeigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hinterwagen
- 3
- Ansaugsystem
- 5
- Brennstoffzellensystem
- 7
- Luftfilter
- 9
- Verdichter
- 11
- Ladeluftleitung
- 13
- Karosserie-Längsträger
- 15
- Durchlassspalt
- 17
- Kühllufteinlass
- 19
- Kühlluftauslass
- 21
- Kühlrippen
- 23
- Blechstege
- 25
- radial innere Rohrwandung
- 26
- Doppelrohr-Anordnung
- 27
- radial äußere Rohrwandung
- 29
- Ringspalt
- 30
- Sprüheinrichtung
- 31
- Sprühdüsen
- Δx
- Längsversatz
- a
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012018874 A1 [0002]
- DE 1037870 A1 [0004]
- DE 102016203890 A1 [0004]
