Die Erfindung betrifft ein luftgekühltes Frontkühlermodul für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem oder mehreren Wärmetauschern mit Kühlernetzen mit Rohren, die von einem oder mehreren Kühlmedien durchströmt und außen von Kühlluft angeströmt werden, 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 Fahrzeugs 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 müssen.

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 verkleinern. Sind diese Öffnungen (umgangssprachlich häufig als "Kühlergrill" bezeichnet) relativ groß, so erhöht sich auch der Luftwiderstand (c_w-Wert) und auch der Geräuschpegel, der von dem Kraftfahrzeug verursacht wird, nimmt zu. Beide Effekte sind unerwünscht, sodass man diese Öffnungen tendenziell verkleinern möchte.

Beide Tendenzen, einerseits die zunehmende Kompaktierung der Kühler und andererseits das Verstellen der Zuwege für den Fahrwind, erschweren den Aufbau 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 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.

Erfindungsgemäß wird aber genau das Gegenteil gemacht: Es wird 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 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 bevorzugt genau dort außer Funktion gestellt, wo er ohnehin seinen geringsten Wirkungsgrad hat, nämlich in demjenigen Abschnitt des Kühlers, der von dem Stoßfänger 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 Stoßdämpfers 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.

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 Kühlernetzes 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-Kühlernetzes sicherstellen können.

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 Erfindung ist sowohl bei Frontkühlermodulen anwendbar, die als mehrschichtiger Aufbau aus mehreren Kühlernetzen konzipiert sind, als auch Frontkühlermodulen, in denen die einzelnen Kühlernetze zusammengefasst sind, also sogenannte Monoblocks.

Bevorzugt werden die Kühlermodule mit ihren Kühlernetzen schichtförmig senkrecht zur Kühlluft angeordnet. Dies bedeutet, dass die Kühlung nach dem Kreuzstromprinzip 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:

Fig. 1 einen schematischen vertikalen Schnitt durch die Frontpartie eines Kraftfahrzeugs mit einem Frontkühlermodul gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht in Fahrtrichtung auf die Ausführungsform des Frontkühlermoduls aus Fig. 1.

Die in Fig. 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 Fig. 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 L_A einströmen. Dies ist durch sechs Pfeile angedeutet, wobei Kühlluft L_A sowohl oberhalb als auch unterhalb des Stoßfängers 13 einströmt.

Der Stoßfänger 13 und seine Versteifung 14 sind also Fahrzeugelemente im Weg der Kühlluft L_A.

Diese Kühlluft L_A 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 L_A 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 Fig. 1 separat nochmals angedeutet. Das Kühlernetz 24 des Wärmetauschers ist ein System von Lamellen und von Rohren 25, durch die ein Kühlmedium L_M strömt. Dieses Kühlmedium L_M strömt im Wesentlichen von links nach rechts oder von rechts nach links, also horizontal, ebenso wie auch die Kühlluft L_A horizontal strömt. Beide treffen sich also nach dem Kreuzstromprinzip zur Kühlung. Das zu kühlende Medium L_M 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 Fig. 2 näher beschrieben werden.

Der Wärmetransport zwischen der Kühlluft L_A und den Kühlmedien L_M 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 entsprechende 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 Fig. 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 Konvektion 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_M 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 L_A angeströmt. Die herkömmlich schlechter gekühlten Bereiche entfallen. Wie auch in Fig. 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 Ladeluftkühlers 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 L_A direkt anströmt. In der Summe kommt es dadurch trotz der kleineren Kühlernetzfläche zu einem besseren Wärmestrom Q und damit zu einer besseren Abkühlung, obwohl auf einen erheblichen Teil Rohre und Lamellen des Kühlernetzes 24 verzichtet worden ist.

Ein Blick auf Fig. 2 zeigt, dass die Lösung auch unabhängig davon ist, ob es sich um Wärmetauscher handelt, in denen das Kühlermedium L_M 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.

Fig. 2 zeigt "I"-durchströmte Wärmetauscher mit Sammlern 26 zum Einströmen des heißen, ungekühlten Mediums und zum Ausströmen des im Wärmetauscher gekühlten Kühlmediums L_M. 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 Fig. 1 zeigt, dass nicht nur keine Nachteile durch das Fortlassen der mittleren Rohre 25 in zumindest einigen der Kühlernetze 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 Fig. 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 Durchströmung 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 L_A 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 Fig. 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 Geräusche 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 Fig. 1 rechten, im Kraftfahrzeug also hinteren Kante des Frontkühlermodufs 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 Perschenkraftfahrzeuge als auch für Last- und andere Nutzfahrzeuge. Der Gedanke lässt sich nicht nur auf symmetrische Anordnungen wie in der Fig. 1 erstrecken, sondern auch auf mehr asymmetrische Anordnungen von Stoßfängern 13. Bezugszeichenliste 10 Karosserie

11 Fahrzeugboden

12 Motorhaube

13 Stoßfänger

14 Versteifung des Stoßfängers

15 Spoiler

16 Lüftungsgitter

20 Frontkühlermodul

21 Klimakondensator

22 Ladeluftkühler

23 Kühlmittelkühler

24 Kühlernetz

25 Rohre

26 Sammler

27 Dichtungen

30 Lüfter

31 Lüfterantrieb

32 Lüfterrad

40 Blende

L_A Kühlluft

L_M Kühlmedium