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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regulierung eines Luftstroms
zur Motorkühlung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim
Bau von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren besteht die Problematik,
dass der Luftdurchsatz durch einen gegebenen Hauptkühler des
Fahrzeugmotors in sämtlichen
Fahrsituationen ausreichend sein muss. Im Zuge der Gewichtsersparnis
und insbesondere im Zuge von Forderungen eines verbesserten Fußgänger-Aufprallschutzes
wird allgemein die Verkleinerung von Hauptkühlern unter Beibehaltung der
Wärmetauscherleistung
angestrebt. Dies erfordert eine Optimierung der Luftdurchströmung der
Tauscherfläche
bei möglichst
allen Betriebszuständen.
Hierzu ist bekannt, eine Oberfläche des
Wärmetauschers
mit einer Lüfterhaube
abzudecken, wobei in einem Bereich der Lüfterhaube ein elektrisch angetriebener
Lüfter
und in einem anderen Bereich der Lüfterhaube öffnungsfähige Klappen vorgesehen sind.
Die öffnungsfähigen Klappen
können je
nach Ausführung
als Staudruckklappen oder als aktiv betätigbare Klappen ausgebildet
sein. In dem Fall, in dem keinerlei Klappen vorgesehen sind, wird die
Luftströmung
bei höheren
Geschwindigkeiten behindert, da ein Überblasen des laufenden Lüfters stattfindet
und kein zusätzlicher
Luftmassenstrom durch Staudruckbeaufschlagung stattfinden kann. Bei
Vorsehen von -zumeist horizontal angeordneten- Staudruckklappen
ergibt sich zumindest im teilgeöffneten
Betrieb ein hoher Widerstand, wobei Rückströmungen bzw. Rezirkulationen
von erwärmter
Luft in den Ansaugbereich des Lüfters
zumindest teilweise vorhanden sind. Solche Rezirkulationen verringern grundsätzlich den
Wirkungsgrad des Wärmetauschers.
Sowohl im Falle passiver Staudruckklappen als auch im Falle aktiv
gesteuerter Klappen sind daher regelmäßig Limitierungen des Wirkungsgrades durch
starke Effekte von Rezirkulationen gegeben.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Regulierung
eines Luftstroms zur Motorkühlung
anzugeben, bei der ein verbesserter Wirkungsgrad des Wärmetauschers
in zumindest einem Betriebszustand eines Kraftfahrzeugs vorliegt.
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Diese
Aufgabe wird für
eine eingangsgenannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
das selektierbare Öffnen
des ersten Öffnungsabschnitts,
der von dem Lüfterelement
beabstandet ist, ist es möglich
in einem Teillastbereich eine fahrtwindbedingte zusätzliche
Durchströmung des
Wärmetauschers
zu erreichen, wobei zugleich die Gefahr von Rezirkulationen der
durch diesen ersten Öffnungsabschnitt
geströmten
Luft in das Lüfterelement
hinein erheblich verringert ist. Zugleich wird aufgrund der Möglichkeit
der selektierbaren Öffnung des
zweiten Öffnungsabschnitts
eine dem Stand der Technik entsprechende, einem höheren Lastbereich wie
etwa Volllast zugeordnete großflächigere
Durchströmung
ermöglicht.
Insgesamt ist der Wirkungsgrad des Wärmetauschers daher bei gemittelter
Betrachtung über
sämtliche
Betriebszustände
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
verbessert.
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Zur
Optimierung des Bauraums und der Luftströmung ist das Lüfterelement
bevorzugt in saugender Anordnung anbringbar.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
weist das Abdeckelement eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren
Klappen auf, so dass die Öffnung
der verschiedenen Öffnungsabschnitte
in Stufen erfolgen kann, zum Beispiel indem jede der Klappen einer
Stufe entspricht.
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Im
Interesse einer mechanisch sicheren und aerodynamisch vorteilhaften
Ausbildung sind die Klappen dabei jeweils als zweiteilige Faltklappen ausgebildet.
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Zur
Anpassung an die bei der Mehrzahl der modernen Kraftfahrzeuge vorhandenen
niedrigen Bauräume
sind die Klappen dabei vorteilhaft seitlich neben dem Lüfterelement
angeordnet, wobei die Bewegungsachsen der Klappen jeweils im Wesentlichen
senkrecht orientiert sind.
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Weiterhin
bevorzugt ist zwischen einem dem Lüfterelement abgewandten Ende
der Tauscherfläche
und dem ersten Öffnungsabschnitt
ein permanenter luftdurchlässiger
Abschnitt vorgesehen, um die Anpassung an einen Teillastbetrieb
zu optimieren. Besonders bevorzugt ist hierbei im Bereich des permanent
luftdurchlässigen
Abschnitts ein Luftleitelement zur Verringerung einer Rezirkulation
vorgesehen. Dieses kann etwa ein Richtungsleitblech und/oder ein
sperrendes Leitblech sein. Solche Luftleitelemente können auch
ganz allgemein zwischen der Tauscherfläche und den Klappenelementen
angeordnet sein.
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Zur
Erlangung einer besonders guten Anpassung an verschiedene Fahrzustände beträgt die Anzahl
der separat ansteuerbaren Klappen mindestens drei.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist das Abdeckelement ein insbesondere stufenlos verschiebbares,
im Wesentlichen flächiges
Element. Insbesondere vorteilhaft ist das Abdeckelement ein elastisches
Rollo, welches bevorzugt in horizontaler Richtung bewegbar ist.
Insgesamt ist durch das Vorsehen eines solchen im allgemeinen stufenlos
verstellbaren Rollos als Abdeckelement eine besonders genaue Anpassung
der Freigabe der Tauscherfläche
in Abhängigkeit
verschiedener Fahrzustände
ermöglicht. Zweckmäßig ist
derjenige Bereich, in dem das Rollo zuerst die Tauscherfläche freigibt,
maximal von dem Lüfterelement
entfernt, um die Gefahr der Rezirkulation, die insbesondere bei
niedrigen Geschwindigkeiten besteht, gering zu halten.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst zumindest ein Teil des Abdeckelements eine Mehrzahl von
bewegbaren Klappen, wobei der erste Öffnungsabschnitt von zumindest
einer ersten der Klappen ausgebildet ist, und wobei zumindest zwei
der Klappen über
eine gemeinsame Steuermechanik zueinander verzögert öffnungsfähig sind. Hierdurch wird auf
einfache und kostengünstige Weise
die Anzahl erforderlicher Krafteinleitungseinheiten verringert.
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Bevorzugt
sind dabei die Mehrzahl von Klappen als insbesondere separate bauliche
Einheit in einem Rahmen aufgenommen, wodurch das Abdeckelement zumindest
teilweise als separates Modul ausbildbar ist.
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Weiterhin
bevorzugt umfaßt
die Steuermechanik eine Schiene mit zumindest zwei unterschiedlich
ausgeformten Kulissenführungen,
wobei jede der Kulissenführungen
einer der Klappen zugeordnet ist. Die unterschiedlichen Kulissenführungen
ermöglichen
eine einfache, zuverlässige
und flachbauende Möglichkeit
der Realisierung einer geeigneten Steuermechanik.
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Besonders
bevorzugt ist eine Antriebskraft zur Bewegung der Klappen dabei
auf nur einer Endseite der Klappen einleitbar, wodurch eine aufwendige
Mechanik zur Übertragung
der Kraft auf die andere Endseite oder eine weitere separate Krafteinleitungseinheit
obsolet ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen
sowie aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden drei Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von oben, wobei ausgehend
von einem vollständig
geschlossenen Abdeckelement mehrere Zustände zunehmender Öffnung des
Abdeckelements dargestellt sind.
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2 zeigt
eine Abwandlung der Vorrichtung aus 1.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
von oben.
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4 zeigt
die Vorrichtung aus 3 von vorne.
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5 zeigt
eine räumliche
Ansicht eines Abdeckelements eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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6 zeigt
das Abdeckelement aus 5 aus einer anderen Perspektive.
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7 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Steuerschiene des Abdeckelements
aus 5.
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8 zeigt
eine räumliche
Ansicht einer einzelnen Klappe des Abdeckelements aus 5.
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1 zeigt
einen Wärmetauscher 1,
der eine Tauscherfläche 2 hat,
wobei der Wärmetauscher 1 lediglich über die
Tauscherfläche 2 von
Luft durchströmbar
ist. Im Bereich dieser Durchströmung
bzw. der tauscherfläche
sind die (nicht dargestellten) Tauscherrohre angeordnet, welche
ausgehend von seitlichen Sammelbereichen 3 von einer Kühlmittelflüssigkeit
durchströmt
werden, so dass die Wärme
der Kühlmittelflüssigkeit
an die durchströmende
Luft abgegeben wird.
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Ein
elektrisch angetriebenes Lüfterelement 4 ist
in einem seitlichen Bereich der Tauscherfläche 2 saugend vor
dem Wärmetauscher 1 angeordnet.
In Querrichtung des Wärmetauschers 1 erstreckt
sich das Lüfterelement 4 in
etwa über
ein Drittel der Länge der
Tauscherfläche 2.
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Neben
dem Lüfterelement 4 ist
ein Abdeckelement 5 vorgesehen, welches den Teil der Tauscherfläche 2,
der nicht von dem Lüfterelement 4 überdeckt
ist, abdeckt. Insbesondere hält
das Abdeckelement 5 das Lüfterelement 4 in einer
entsprechenden Ausnehmung nach Art einer an sich bekannten Lüfterhaube.
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Das
Abdeckelement 5 hat vier Klappen 6a, 6b, 6c und 6d,
die jeweils nach Art einer zweiteiligen, eine Klappachse 7 umfassenden
Faltklappe ausgebildet sind, wobei die Klappachse 7 sich
in die Zeichnungsebene hinein und somit bezüglich der Einbaulage der Vorrichtung
in senkrechter Richtung erstreckt. Jede der Klappen 6a-6d kann
separat geöffnet
werden. Dies erfolgt auf an sich bekannte Weise mittels jeweiliger
Aktuatoren bzw. Stellglieder. Es kann auch eine Steuermechanik vorgesehen
sein, die lediglich von einem Aktuator betätigt wird und mehrere Klappen
wie dargestellt sequentiell nacheinander öffnet.
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Die
Erfindung funktioniert hinsichtlich der mehreren in 1 sequentiell
von oben nach unten dargestellten Öffnungszustände des Abdeckelements 5 wie
folgt:
In geschlossener Position sämtlicher der Klappen 6a-6d (obere
Abildung) saugt der Lüfter 4 Luft
durch den Wärmetauscher 1,
wobei durch die im wesentlichen vollständige Überdeckung der Tauscherfläche 2 weitgehend
ausgeschlossen ist, dass von dem Lüfter 4 austretende,
erwärmte
Luft ihren Weg zurück
in den Lüftereintritt
findet. Eine wirkungsgradsenkende Rezirkulation von Luft ist daher
weitgehend vermieden. Die vollständig
geschlossene Position des Abdeckelements 5 liegt zumeist
in einem Leerlaufzustand des Fahrzeugs vor, in dem kein Fahrtwind
auftritt, so dass der gesamte Luftdurchsatz von dem Lüfterelement 4 geleistet
wird.
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Wird
in einem Teillastbereich des Fahrzeugsmotors bei gewisser, im allgemeinen
geringer Fahrtgeschwindigkeit eine höhere Tauscherleistung erforderlich,
so wird zunächst
das gemäß 1 maximal von
dem Lüfterelement 4 entfernte
erste Klappenelement 6a geöffnet, wobei aufgrund der Ausbildung
der Klappenelemente die Öffnung
auch eine nur teilweise sein kann. Durch die Öffnung des ersten Klappenelements 6a wird
ein erster Öffnungsabschnitt
der Tauscherfläche
für den
Luftdurchtritt freigegeben, wobei dieser erste Öffnungsabschnitt im Vergleich
zu den anderen Klappenelementen 6b-6d die größte Entfernung
von dem Lüfterelement 4 hat.
In diesem Betriebszustand ist das Lüfterelement 4 zumeist
noch eingeschaltet, so dass die Vermeidung einer Rezirkulation gewünscht ist.
Durch den größeren Abstand des
ersten Klappenelements 6a im Vergleich zu den weiteren
Klappenelementen 6b-6d ist eine Rezirkulation
verhindert oder besonders klein gehalten.
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Bei
weiter zunehmender Last, die zumeist mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit
einher geht, werden sukzessiv auch die weiteren Klappenelemente 6b-6d geöffnet, was
in der Zeichnung 1 lediglich bis zu einer Teilöffnung des
zweiten Klappenelements 6b dargestellt ist.
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2 zeigt
eine Abwandlung der Ausführungsform
aus 1, wobei zwischen einem Rand 2a der Tauscherfläche 2 und
einer ersten, maximal von dem Lüfterelement 4 beabstandeten
Faltklappe 6a' ein
permanent luftdurchlässiger
Abschnitt 8 vorgesehen ist und wobei insgesamt nur drei
Faltklappen 6a', 6b', 6c' vorgesehen
sind. Dies kann zur Feinanpassung oder auch zur Vermeidung einer übermäßig großen Anzahl
von Klappen gewünscht sein.
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Vorliegend
reicht der gegebene Abstand des ersten Klappenelements 6a' von dem Lüfterelement 4 aus,
um bei einem ausschließlichen Öffnen des ersten
Klappenelements 6a' im
Zuge eines Teillastbetriebs eine zumindest erhebliche Reduzierung
einer Rezirkulation zu bewirken. Zur weiteren Verbesserung ist vorliegend
zudem eine Trennwand 9 vorgesehen, die sich von der Tauscherfläche 2 bis
zu einem dem Lüfterelement 4 abgewandten
Ende des Klappenelements 6a' erstreckt,
so dass bei geschlossenen Klappenelementen 6a'-6c' in Verbindung
mit der Trennwand 9 ein weitgehend geschlossenes und nur über das
Lüfterelement 4 zugängliches
Volumen 10 zwischen Abdeckelement 5 und Tauscherfläche 2 vorhanden
ist. Eine zu der Trennwand 9 ergänzende oder alternative Maßnahme zur
Verringerung einer möglichen
Rezirkulation sind Luftleitelemente 10, 11 im
Ausgangsbereich des permanent luftdurchlässigen Abschnitts 8.
Diese Luftleitelemente lenken die durch den Bereich 8 strömende Luft
von dem Lüfterelement 4 weg.
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Bei
dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
gemäß 3 und 4 ist
das Abdeckelement 5 nicht als diskrete Anzahl von starren Klappenelementen
ausgebildet, sondern als Rollo mit einer flächigen und elastischen Bahn 13,
die um eine Rolle 14 aufwickelbar ist. Die Rolle 14 ist dabei angrenzend
an das Lüfterelement 4 angeordnet,
so dass ein Ende 15 der elastischen Bahn 13 in
einem vollständig
geschlossenen Rollozustand (nicht dargestellt) einen maximalen Abstand
von dem Lüfterelement 4 aufweist.
Eine Freigabe der Tauscherfläche 2 mittels
des Rollos ist stufenlos möglich.
In den Abbildungen 3 und 4 befindet
sich das Rollo jeweils in einem teilweise geöffneten Zustand, in dem ein
erster Öffnungsabschnitt 16 freigegeben
ist, so dass der gezeigte Zustand einem Teillastbereich des Fahrzeugmotors
bei zumeist geringem Fahrtwind entspricht. Dadurch, dass der erste Öffnungsabschnitt 16 bedingt
durch die zwischen ihm und dem Lüfterelement 4 noch
vorhandene Restfläche
des Rollos einen Mindestabstand von dem Lüfterelement 4 aufweist,
ist eine Rezirkulation von Luft, die den Bereich 16 durchströmt hat,
in das Lüfterelement 4 hinein
weitgehend vermieden. Ein zweiter Öffnungsabschnitt zur weiteren,
insbesondere vollständigen Freigabe
der Tauscherfläche 2 kann
durch ein z.B. vollständiges
Aufrollen des Rollos erreicht werden. Auf diese Weise kann auch
ein optimaler Luftdurchtritt etwa für einen Volllastbereich erzielt
werden.
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Im
Falle des dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß 5 bis 8 ist
ein Abdeckelement 305 dargestellt, welches als bauliche Einheit
oder als Modul aufgebaut ist. Ein weiteres Abdeckelement im Sinne
der Patentansprüche
kann etwa ein angrenzender Rahmen für den (nicht dargestellten)
Lüfter
sein.
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Das
Abdeckelement des dritten Ausführungsbeispiels
umfaßt
fünf jeweils
bewegbare Klappen 306a-306e, die parallel zueinander
in einem starren Rahmen 302 über jeweils endseitige Drehzapfen 308 (siehe 8)
drehbar gelagert sind. Je nach Drehstellung liegt somit eine geöffnete,
teilweise geöffnete
oder geschlossene Stellung der Klappe in dem Rahmen 302 vor.
Jede der Klappen hat auf der einen Endseite einen zu dem Drehzapfen 308 versetzten
Betätigungszapfen 309, über den
eine kraftunterstützte
Verstellung der jeweiligen Klappe erfolgen kann.
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Auf
der Rahmenseite des Betätigungszapfens 309 ist
eine Steuerschiene 303 in Führungsblöcken 303a linear verschiebbar
in dem Rahmen 302 geführt.
Endseitig der Schiene 303 ist diese über ein Gestänge mit
einem nicht dargestellten, in einer Halterung 307 festlegbaren
linearen Aktuator verbunden, mittels dessen sich eine Stellung der
Schiene 303 relativ zu dem Rahmen 302 einstellen
läßt. Als Aktuator
sind dabei sämtliche
bekannte und geeignete Antriebsvorrichtungen denkbar.
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Die
Steuerschiene 303 hat fünf
Durchbrechungen 304a, 304b, 304c, 304d, 304e (siehe 7),
die einen gewundenen Verlauf nach Art einer Kulissenführung aufweisen.
In jede der Kulissenführungen 304a-304e greift
einer der Betätigungszapfen 309 der
fünf Klappen 306a-306e ein.
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Aus
der maßstabsgerechten
Darstellung der Kulissen in 7 ist ersichtlich,
dass jede der Kulissen 304a-304e insgesamt die
gleiche Länge
in Bewegungsrichtung der Schiene und die gleiche Breite senkrecht
zur Bewegungsrichtung der Schiene aufweist. Dagegen besteht ein
jeweiliger Unterschied zwischen den Kulissen darin, dass ein kurviger
Teil auf jeweils unterschiedlicher relativer Position in Längsrichtung
vorgesehen ist.
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Ausgehend
von der gezeigten geöffneten Position
der Klappen 306a-306e wird zum Zwecke des Schließen des
Abdeckelements 305 die Schiene 303 kraftunterstützt in ihrer
Längsrichtung
verschoben. Hierdurch wird zunächst
die Klappe 306e geschlossen, wogegen die übrigen Klappen
sich im Moment der ersten Bewegung der Schiene 303 noch nicht
bewegen. Noch im Zuge der Schließbewegung der Klappe 303e wird
dann bedingt durch die Ausformung der Kulisse 304d die
Klappe 306d bewegt, bis zuletzt die erste Klappe 306a geschlossen
wird. Entsprechend wird ausgehend von der (nicht dargestellten)
geschlossenen Stellung zuerst die Klappe 306a teilweise
geöffnet,
bevor die Bewegung der nächsten Klappe 306b beginnt.
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Jede
der Kulissen 304a-304e hat einen parallel zu der
Längsrichtung
der Schiene 303 verlaufenden Abschnitt, der einer unveränderten
Stellung der jeweiligen Klappe während
einer Bewegung der Schiene 303 zugeordnet ist. Dieser Leerweg
kann zum Beispiel bei 18mm Gesamtweg der Steuerschiene 6mm betragen.
Es sind jedoch auch andere Verhältnisse
von Leerweg zu Gesamtweg denkbar, je nachdem, wie stark die Bewegung
der einzelnen Klappen zueinander verzögert sein soll.
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Im
vorliegenden Beispiel sind die Klappen jeweils baugleich. In einer
weiteren Optimierung des Abdeckelements können sie jedoch auch jede für sich in
Abhängigkeit
von ihrer Position aerodynamisch optimiert sein. Die Klappen 306a-306e sind
als Staudruckklappen ausgebildet und senkrecht orientiert. Durch
die senkrechte Orientierung fällte
die Massenwirkung weg. Der Staudruck kompensiert den Saugdruck eines
bevorzugt saugend angeordneten Lüfters
zunehmend mit der Fahrtgeschwindigkeit, so dass im geeigneten Moment
des Öffnens
zumeist nur eine geringe Kraft aufgewendet werden muß, um im
wesentlichen die Reibungskräfte
der Steuermechanik 301 zu überwinden.
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Aus
dem genannten Grund ist es mit geringem Aufwand möglich, die
Mechanik so leichtgängig auszulegen,
dass die Steuermechanik wie dargestellt nur an einer Endseite der
Klappen angreifen muß. Dies
ermöglicht
einen einfachen Aufbau mit nur einem einzigen Aktuator und insbesondere
ohne eine zusätzliche
Mechanik zur Kraftübergabe
auf die gegenüberliegende
Seite.
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In
günstiger
aerodynamischer Ausgestaltung weisen die Klappen zudem Rippen 310 auf,
die einer verbesserten Leitung der die Klappen umströmenden Luft
und gegebenenfalls einer Geräuschminderung dienen.