Fahrzeug mit einer mit Hilfe eines Kühlluftmassenstroms gekühlten Komponente

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit wenigstens einer Komponente, welche zu Kühlzwecken von einem mit Hilfe mindestens einer Fördereinrichtung wie einem Lüfter oder Spoiler geförderten Kühlluftmassenstrom angeströmt ist, für den ein Nennwert vorbestimmt ist, der für eine angenommene maximale thermische Belastung der mindestens einen Komponente eine für deren Betrieb ausreichende Kühlwirkung bereit stellt, sowie auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs im Hinblick auf die Kühlfunktion.

Bei Fahrzeugen wird eine abzuführende Wärmeleistung

regelmäßig mit Hilfe von Kühlern an die Umgebungsluft

abgegeben. Solche Kühler liegen beispielsweise als

Wärmeübertrager bei einer Klimaanlage oder auch als

Kühlrippen bei einem Traktionsumrichter eines

Schienenfahrzeugs vor. Zu Kühlzwecken muss Umgebungsluft, die z. B. mit Hilfe des Lüfters angesaugt wird, in oder um den Kühler geführt und wieder an die Umgebung abgegeben werden.

Bei in Bewegung befindlichen Fahrzeugen, insbesondere auch bei Schienenfahrzeugen, muss ein zu Kühlzwecken vorgesehener Luftmassenstrom der aus der Umgebung aufgenommenen Luft auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die sich aus einer Fahrgeschwindigkeit und einer Durchströmgeschwindigkeit bzw. Umströmgeschwindigkeit des Kühlers zusammensetzt. Dies führt im Fahrbetrieb des Fahrzeugs zu einem zusätzlichen

Fahrwiderstand, wobei mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit eine für die Beschleunigung des Luftmassenstroms

aufzubringende Traktionsleistung quadratisch ansteigt. Bei mit einem Kühler versehenen Komponenten von Fahrzeugen aller Art, insbesondere Bussen, Lastkraftwagen und

Schienenfahrzeugen, wird mittels eines Lüfters Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs angesaugt und durch bzw. um den Kühle geführt. In einem einfachsten Fall kann auf den Kühler verzichtet werden, so dass die Komponente selbst unmittelbar von der Kühlluft angeströmt wird.

Regelmäßig ist der Luftmassenstrom, der von dem Lüfter bestimmt wird, nicht regulierbar bzw. steuerbar. Er besitzt vielmehr einen Nennwert, der für eine angenommene maximale thermische Belastung der Komponente eine für deren Betrieb ausreichende Kühlwirkung bereit stellt. Bei einer solchen Vorgehensweise steigt die erforderliche Traktionsleistung mi zunehmender Fahrgeschwindigkeit stark an, da der durch die Beschleunigung des Luftmassenstroms entstehende

Fahrwiderstand zusätzlich aufgebracht werden muss.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, bei dem das Fahrzeug in einem Betrieb der Komponente in ihrem zulässigen Temperaturbereich im Vergleich zum Stand der

Technik weniger Leistung benötigt.

Dies Aufgabe wird hinsichtlich des Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, dadurch gelöst, dass eine

Steuervorrichtung zum Steuern einer Stärke des

Kühlluftmassenstroms vorgesehen und derart ausgebildet ist, dass der Kühlluftmassenstrom unter Berücksichtigung

thermischer Anforderungen der Komponente zumindest in einem oberen Fahrgeschwindigkeitsbereich so bemessen ist, dass eine Summe einer Aufnahmeleistung der wenigstens einen Komponente, der wenigstens einen Fördereinrichtung und eines auf die Förderung des Kühlluftmassenstroms entfallenden Anteils einer Traktionsleistung des Fahrzeugs kleiner ist als eine Summe der Aufnahmeleistung der wenigstens einen Komponente, der wenigstens einen Fördereinrichtung und eines auf die

Förderung des Kühlluftmassenstroms mit seinem vorbestimmten Nennwert entfallenden Anteils einer Traktionsleistung des Fahrzeugs . Statt des auf die Förderung des Kühlluftmassenstroms mit seinem vorbestimmten Nennwert entfallenden Anteils einer Traktionsleistung des Fahrzeugs kann auch von einem durch die Förderung des Kühlluftmassenstroms mit seinem vorbestimmten Nennwert bedingten Anteil einer Traktionsleistung des

Fahrzeugs gesprochen werden.

Durch die Wirkungsweise der Steuervorrichtung, die zum

Steuern des Kühlluftmassenstroms vorgesehen ist, ist es möglich, gegenüber dem Stand der Technik im Fahrbetrieb den Gesamtleistungsbedarf des Fahrzeugs zu senken. Denn die Summe der Aufnahmeleistungen der Komponente, des Lüfters und der zusätzlich für die Beschleunigung des Kühlluftmassenstroms aufzubringenden Traktionsleistung bei Fahrt wird vermindert.

Dieser Vorteil zieht weitere Vorteile nach sich.

Beispielsweise kann eine installierte Traktionsleistung des Fahrzeugs reduziert werden, wodurch auch Herstellungskosten sinken können. Die sich ergebende geringere erforderliche Traktionsleistung kann außerdem zu geringerem Gewicht des Fahrzeugs führen, was einen noch weiter reduzierten

Leistungsbedarf zur Folge hat.

Bevorzugt wirkt die Steuervorrichtung auf eine Drehzahl wenigstens eines als Fördereinrichtung vorgesehenen Lüfters ein, so dass beispielsweise durch Vermindern dieser Drehzahl ein geringerer Kühlluftmassenstrom zum Kühlen der wenigstens einen Komponente verwendet wird.

In dem Fall, wenn mehrere Lüfter zum Fördern des

Kühlluftmassenstroms vorgesehen sind, kann die

Steuervorrichtung bei Bedarf wenigstens einen der Lüfter zu- oder abschalten. Auch durch diese Maßnahme wird ein Steuern des Kühlluftmassenstroms bewirkt.

In einer anderen Aus führungs form der Erfindung kann die

Steuerung des Kühlluftmassenstroms auch dadurch herbeigeführt werden, dass Schaufelblätter des wenigstens einen Lüfters in ihrer Anstellung einstellbar sind und die Steuervorrichtung zum Einstellen des Kühlluftmassenstroms auf die Anstellung der Schaufelblätter einwirkt.

Eine weitere Alternative zum Steuern des Kühlluftmassenstroms kann darin bestehen, dass im Strömungsweg für den

Kühlluftmassenstrom eine Drosselklappe vorgesehen ist und die Steuervorrichtung zur Einstellung des Kühlluftmassenstroms auf die Drosselklappe einwirkt.

Das Fahrzeug kann mehrere zu kühlende Komponenten aufweisen, wobei dann die Steuervorrichtung für diese Mehrzahl an

Komponenten eine jeweilige Größe des Kühlluftmassenstroms steuert .

Der Steuervorrichtung kann wenigstens eine Betriebsgröße des Fahrzeugs signalisiert sein, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Fahrgeschwindigkeit, eine Leistungsaufnahme der wenigstens einen Komponente, eine thermische Belastung der wenigstens einen Komponente, eine Leistungsaufnahme des wenigstens einen Lüfters, eine Stärke des

Kühlluftmassenstroms , eine Drehzahl des wenigstens einen Lüfters und eine Traktionsleistung des Fahrzeugs umfasst. Diese Größen können einzeln, in Gruppen oder sämtlich

verwendet werden, um der Steuervorrichtung geeignete

Messwerte bereitzustellen, so dass sie den

Kühlluftmassenstrom leistungssparend steuern kann.

In dem Fall, wenn mehrere Lüfter vorgesehen sind, kann der Steuervorrichtung bevorzugt eine Anzahl an zu- oder

abgeschalteten Lüftern signalisiert sein.

Die für das Fahrzeug insgesamt anfallende Betriebsleistung wird dann besonders gering, wenn die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass unter Berücksichtigung thermischer Anforderungen der wenigstens einen Komponente die Summe der Aufnahmeleistung der wenigstens einen Komponente, des

wenigstens einen Lüfters und des auf die Förderung des Kühlluftmassenstroms entfallenden Anteils der

Traktionsleistung des Fahrzeugs minimiert ist. Vorteile der Erfindung ergeben sich jedoch auch dann, wenn die

Steuervorrichtung den Kühlluftmassenstrom derart steuert, dass er unterhalb seines vorbestimmten Nennwertes bleibt.

Die Steuervorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass der Kühlluftmassenstrom unterhalb einer vorbestimmten

Fahrgeschwindigkeit seinen vorbestimmten Nennwert annimmt. Da mit abnehmender Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs die

Leistungseinsparung abnimmt, kann es sinnvoll sein, unterhalb der vorbestimmten Geschwindigkeit keine Steuerung des

Kühlluftmassenstroms vorzunehmen sondern stattdessen dessen Nennwert vorzusehen. Jedenfalls bei Stillstand des Fahrzeugs sollte der Kühlluftmassenstrom seinen Nennwert annehmen, denn in diesem Betriebszustand verfügt die mindestens eine

Komponente über ihren maximalen Wirkungsgrad.

Die wenigstens eine Komponente kann von einer Klimaanlage gebildet sein, zu der als Kühler ein Kondensator gehört. In diesem Fall steuert die Steuervorrichtung den

Kühlluftmassenstrom für den Kondensator. Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine Komponente von einer zu kühlenden elektrischen Vorrichtung des Fahrzeugs gebildet sein, die dann als Kühler wenigstens ein Kühlgerippe

aufweisen würde. Bei der elektrischen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Umrichter oder Transformator handeln. Bevorzugt sind der Steuervorrichtung aktuelle

Messwerte für den Kühlluftmassenstrom oder für eine diesen wiedergebende Größe zu Regelzwecken signalisiert, so dass die Steuervorrichtung als Regelvorrichtung arbeitet. Diese

Vorgehensweise erlaubt eine genauere Einhaltung eines für eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit als günstig angesehenen Kühlluftmassenstroms .

Zur Unterstützung der Förderung des Kühlluftmassenstroms können an einer Einsaugöffnung und/oder einer Ausblasöffnung für den Kühlluftmassenstrom aerodynamische Elemente vorgesehen sein. Dies gestattet es, dass vorhandene Lüfter reduziert werden können, was beispielsweise durch Abschalten oder Abregein einzelner Lüfter geschehen kann. Bevorzugt sind die aerodynamischen Elemente von Leitklappen gebildet, die in Längsrichtung des Fahrzeugs hintereinander angeordnet sind. In dieser Weise lässt sich das Einströmen und Ausströmen des Kühlluftmassenstroms in effektiver Weise günstig beeinflussen.

Die Leitklappen können, bezogen auf das Fahrzeug, jeweils um eine Querachse schenkbar angebracht sein. Dies ermöglicht eine Fein ustierung der Stellung der Leitklappen

beispielsweise im Hinblick auf einen aktuell vorliegenden Kühlluftbedarf und den Luftwiderstand. Beispielsweise kann die Position der Leitklappen druckgeregelt sein, so dass ein Gegendruck für einen Ventilator neutral gehalten wird. Durch die Verstellbarkeit der Leitlappen ist es außerdem möglich, dass, abhängig von der jeweiligen Fahrtrichtung des

Fahrzeugs, eine Öffnung als Einsaug- oder als Ausblasöffnung dient. Dazu können dann die Leitklappen geeignet positioniert werden .

Es kann vorteilhaft sein, wenn die Einsaugöffnung und/oder die Ausblasöffnung mit einem Leitgitter für den

Kühlluftmassenstrom ausgestattet sind. Dieses Leitgitter unterstützt das Ein- bzw. Ausblasen des Kühlluftmassenstroms an der jeweiligen Öffnung. In dem Fall, wenn entlang der Außenhaut des Schienenfahrzeugs mehrere Leitklappen

hintereinander angeordnet sind, kann ggf. auf das Leitgitter verzichtet werden.

Die oben angegebene Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, bei dem wenigstens eine Komponente zu Kühlzwecken von einem mit Hilfe mindestens einer Fördereinrichtung geförderten

Kühlluftmassenstrom angeströmt wird, wobei eine Stärke des Kühlluftmassenstroms derart gesteuert wird, dass der Kühlluftmassenstrom unter Berücksichtigung thermischer

Anforderungen der Komponente zumindest in einem oberen

Fahrgeschwindigkeitsbereich so bemessen ist, dass eine Summe einer Aufnahmeleistung der wenigstens einen Komponente, der wenigstens einen Fördereinrichtung und eines auf die

Förderung des Kühlluftmassenstroms entfallenden Anteils einer Traktionsleistung des Fahrzeugs kleiner ist als eine Summe der Aufnahmeleistung der wenigstens einen Komponente, der wenigstens einen Fördereinrichtung und eines auf die

Förderung des Kühlluftmassenstroms mit seinem vorbestimmten Nennwert entfallenden Anteils einer Traktionsleistung des Fahrzeugs .

Bevorzugte Aus führungs formen des Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen 20 bis 28.

Die Merkmale des Verfahrens und seine bevorzugten

Aus führungs formen sind bereits oben anhand der Beschreibung des Fahrzeugs erläutert worden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer zu Kühlzwecken dienenden Anordnung innerhalb eines

Schienenfahrzeugs ,

Figur 2 eine Längsschnittansicht einer Dachöffnung des

Schienenfahrzeugs und

Figur 3 eine Längsschnittansicht einer alternativ

ausgebildeten Dachöffnung des Schienenfahrzeugs.

Figur 1 zeigt eine zu kühlende Komponente K eines

Schienenfahrzeugs, das hier stellvertretend für Fahrzeuge aller Art beschrieben wird. Die Komponente K ist mit einem Kühler KR ausgestattet, der von aus einem Klimakanal KK stammender und von einem Lüfter L geförderten Luft zu Kühlzwecken angeströmt wird. Der anströmende

Kühlluftmassenstrom bewirkt, dass die Komponente K im Betrieb des Schienenfahrzeugs unterhalb einer Temperatur gehalten wird, die einen störungsfreien Betrieb der Komponente K gewährleistet. Dazu ist für eine Steuervorrichtung S, welche den Kühlluftmassenstrom in verschiedener Weise zu steuern vermag, ein maximal zulässiger Temperaturwert für die

Komponente K hinterlegt.

Die Steuervorrichtung S ist derart ausgebildet, dass der Kühlluftmassenstrom unter Berücksichtigung thermischer

Anforderungen der Komponente K zumindest in einem oberen Fahrgeschwindigkeitsbereich so bemessen ist, dass eine Summe einer Aufnahmeleistung der Komponente K, des Lüfters L, der den Kühlluftmassenstrom fördert, und eines auf die Förderung des Kühlluftmassenstroms entfallenden Anteils einer

Traktionsleistung des Fahrzeugs kleiner ist als eine Summe der Aufnahmeleistungen der Komponente K und des Lüfters L und eines auf die Förderung des Kühlluftmassenstroms mit einem vorbestimmten Nennwert entfallenden Anteils einer

Traktionsleistung des Fahrzeugs. Dabei bedeutet der

vorbestimmte Nennwert für den Kühlluftmassenstrom einen solchen Strom, der für eine angenommene maximale thermische Belastung der Komponente K eine für deren Betrieb

ausreichende Kühlwirkung bereitstellt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Klimakanal KK mit dem Lüfter L ausgestattet und kann zusätzlich einen weiteren Lüfter L und/oder eine Drosselklappe D aufweisen (gestrichelt dargestellt) . In einer Aus führungs form der

Erfindung wirkt die Steuervorrichtung S auf denjenigen Lüfter L ein, der mit durchgezogener Pfeillinie in der Figur mit der Steuervorrichtung S verbunden ist. Die Steuervorrichtung S kann eine Drehzahl des Lüfters L zur Verminderung des

Kühlluftmassenstroms absenken, so dass der auf die Förderung des Kühlluftmassenstroms entfallende Anteil der

Traktionsleistung des Fahrzeugs absinkt. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass der Lüfter L in ihrer Anstellung einstellbare Schaufelblätter aufweist und die

Steuervorrichtung S zum Einstellen des Kühlluftmassenstroms auf die Anstellung der Schaufelblätter einwirkt. Zur Regelung des Kühlluftmassenstroms wird der Steuervorrichtung S dessen aktueller Wert signalisiert.

Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung des Kühlluftmassenstroms ist die Einwirkung auf die Drosselklappe D, die per gestrichelter Pfeillinie in der Figur mit der

Steuervorrichtung S in Verbindung steht. In diesem Fall kann eine Drehzahl der Lüfter L beibehalten werden, während der Kühlluftmassenstrom von einem Öffnungsgrad der Drosselklappe D bestimmt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung des

Kühlluftmassenstroms besteht im dargestellten

Ausführungsbeispiel darin, dass die Steuervorrichtung S auf beide dargestellte Lüfter L derart einwirkt, dass einer der beiden Lüfter L abgeschaltet wird, sofern der sich dann ergebende geringere Kühlluftmassenstrom gewährleistet, dass eine maximal zulässige Temperatur der Komponente K nicht erreicht wird.

Die Steuervorrichtung S erhält zur Steuerung des

Kühlluftmassenstroms eine Mehrzahl an Eingangswerten für folgende Größen: Fahrgeschwindigkeit, Leistungsaufnahme der Komponente K, thermische Belastung der Komponente K,

Leistungsaufnahme des oder der Lüfter L, Stärke des

Kühlluftmassenstroms , Drehzahl des oder der Lüfter L und Traktionsleistung des Fahrzeugs. Sofern gewährleistet ist, dass die maximal zulässige thermische Belastung der

Komponente K nicht überschritten wird, kann auf eine oder mehrere der vorgenannten Größen verzichtet werden. Die

Steuervorrichtung S minimiert im Idealfall für jede

Fahrgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs dessen

Leistungsbedarf . Bei dem Ausführungsbeispiel, das mehrere Lüfter L vorsieht, kann der Steuervorrichtung S zusätzlich eine Anzahl der zu- oder abgeschalteten Lüfter L signalisiert sein. Wenn

beispielsweise im dargestellten Ausführungsbeispiel nur einer der beiden Lüfter L in Betrieb ist, jedoch die Temperatur der Komponente K sich dem unzulässigen Temperaturbereich nähert, wird die Steuervorrichtung S den zweiten Lüfter L zuschalten.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei denen der

Steuervorrichtung S Informationen über die

Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs vermittelt werden, ist die Steuervorrichtung S derart ausgelegt, dass im hohen

Geschwindigkeitsbereich eine Reduzierung des

Kühlluftmassenstroms vorgenommen wird, da gerade in diesem Geschwindigkeitsbereich die Leistungseinsparungen am größten sind. Unterhalb einer vorbestimmten Fahrgeschwindigkeit kann demgegenüber der Kühlluftmassenstrom seinen Nennwert

annehmen .

Als Komponente K des Fahrzeugs kommen grundsätzlich sämtliche Komponenten in Frage, die in irgendeiner Weise zu kühlen sind. Als Beispiele sind zu nennen: eine Klimaanlage, zu der als Kühler ein Wärmeübertrager, z.B. ein Kondensator oder Enthitzer, gehört, und ein Umrichter oder Transformator, bei dem es sich um eine elektrische Vorrichtung des Fahrzeugs handelt und der als Kühler typischer Weise mit einem

Kühlgerippe ausgestattet ist. Es ist ersichtlich, dass die in der Figur dargestellte Anordnung um weitere Komponenten des Fahrzeugs erweitert werden kann, wobei dann die

Steuereinrichtung S auf die thermische Belastbarkeit der weiteren Komponenten zu berücksichtigen hätte.

Aus Figur 2 geht eine erste Aus führungs form einer als

Einsaug- oder Auslassöffnung wirkenden Dachöffnung Ol hervor. Vorgesehene Leitklappen LI, die jeweils am Rand der Öffnung Ol in Längsrichtung des Schienenfahrzeugs hintereinander angeordnet sind, lassen sich um eine, bezogen auf das

Schienenfahrzeug, quer verlaufende Achse verschwenken, so dass die Öffnung in ihrer Funktion an die Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs angepasst werden kann. Die Leitklappen LI können sich innerhalb einer Fahrzeugkontur bewegen, da sie zurückgesetzt und platzsparend eingebaut sind. Eine am Rand der Öffnung Olvorgesehene Fase Fl kann beispielsweise 30° betragen. Für die Leitklappen LI sind Neutral- und

Zwischenstellungen möglich, um eine optimale Anpassung an einen aktuellen Kühlluftbedarf und den Luftwiderstand zu ermöglichen. Die in Figur 2 durchgehend dargestellte

Leitklappenstellung entspricht für eine Fahrtrichtung nach rechts einem Auslass und für eine Fahrtrichtung nach links einem Einlass. Demgegenüber gehört die gestrichelte Linie für eine Auslasswirkung zu einer Fahrtrichtung nach links und für eine Einlasswirkung für eine Fahrtrichtung nach rechts. Die Leitklappen LI stehen jeweils parallel zueinander.

Im Stand des Fahrzeugs ist die in der Figur 2 linke

Leitklappe LI entsprechend der durchgezogenen Linie und die rechte Luftklappe LI entsprechend der gestrichelten Linie angeordnet.

In einem erweiterten Ausführungsbeispiel sind zwischen den beiden dargestellten Leitklappen LI weitere Leitklappen vorgesehen, so dass beispielsweise auch ein Verschließen der Öffnung Ol möglich ist. Bei derart vielen Leitklappen L kann ggf. davon abgesehen werden, ein in Figur 2 dargestelltes Leitgitter G im Öffnungsbereich vorzusehen, das ebenfalls die Aufgabe hat, den Kühlluftstrom günstig zu leiten. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel für eine Gestaltung einer Dachöffnung 02 des Schienenfahrzeugs sind ebenfalls zwei Leitbleche L2 jeweils entlang des

Schienenfahrzeugs im Randbereich der Dachöffnung 02

vorgesehen. Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 die Schwenkachsen für die Leitklappen L etwas einwärts vom Rand der Öffnung Ol liegen, befinden sich die Schwenkachsen für die Leitklappen L2 unmittelbar an der Innenkante der Dachöffnung 02. Auch die Leitklappen L2 können, abhängig von einer jeweiligen Fahrtrichtung, derart eingestellt werden, dass die Dachöffnung 02 e nach Bedarf als Ansaug- oder

Auslassöffnung dient. In beiden Ausführungsbeispielen für die Gestaltung einer

Dachöffnung nach den Figuren 2 und 3 zeigen die Leitklappen LI, L2 eine gekrümmte oder in kleinen Winkeln facettierte Kontur hin zur Einlassöffnung Ol, 02. Ausblasseitig ergibt sich eine hervorstehende Kontur, in die das Leitgitter G eingefasst ist, oder, fall es der Bauraum nicht zulässt, eine zunächst leicht nach innen gezogene Kontur, der die

hervorstehende Kontur folgt und die symmetrisch in beide Fahrtrichtungen ausgeprägt oder je nach Fahrtrichtung

einstellbar ist.