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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Fahrzeugfront, sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Sensoranordnung.
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Moderne Fahrzeuge, insbesondere hochautomatisierte Fahrzeuge, sind auf eine einwandfreie Funktion einer Vielzahl von Sensoren angewiesen. Ein fahrendes Fahrzeug bewegt sich naturgemäß durch die umgebende Luft. An der Front des Fahrzeugs bildet sich ein mit der Fahrgeschwindigkeit steigender Staudruck aus, und Luft aus dem Frontbereich strömt an den Seiten, der Oberseite und Unterseite des Fahrzeugs vorbei.
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Nicht in allen Bereichen der Fahrzeugoberfläche ist dabei die Luftströmung laminar. Während sich die größten Wirbel naturgemäß hinter dem Fahrzeug im Abstrom ausbilden, können auch lokale Wirbel auftreten, beispielsweise im Bereich eines Sensors an der Front des Fahrzeugs. Ist beispielsweise ein Sensor wie ein LiDAR unterhalb eines vorderen Endes einer Motorhaube angeordnet, sodass dieser möglichst hoch über dem Boden verbaut ist, um einen möglichst uneingeschränkten Erfassungsbereich in die Umgebung vorderhalb des Fahrzeugs aufzuweisen, der gleichzeitig jedoch noch Bauraum-optimiert angeordnet wird und daher keine Modifikation der Motorhaube erfordert, kann sich ein Wirbel an der über die obere Seite des Fahrzeugs strömenden Hauptströmung bilden, der im Bereich des Sensors lokale Komponenten in Fahrtrichtung und/oder entlang der Schwerkraft nach unten gerichtet ist, je nach Ausrichtung des Sensors.
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Ein solcher Wirbel der Luftströmung führt somit zur Verschmutzung der Sensoroberfläche, wenn nicht eine aktive Strömungserzeugungseinrichtung zum Anblasen der Sensoroberfläche parallel zur Hauptströmungsrichtung über die obere Front des Fahrzeugs vorgesehen wird (d. h. dass diese unterhalb des Sensors angeordnet wird), sodass sich die lokale Strömungsrichtung des oben beschriebenen Luftwirbels und die lokale Strömung der Strömungserzeugungseinrichtung einander entgegnen und damit zumindest teilweise aufheben. Ein Freiblasen der Oberfläche des Sensors wird daher erschwert oder zunichte gemacht. Mangels Strömungsgeschwindigkeit über die Oberfläche des Sensors kann sich so dauerhaft Schmutz ablagern.
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Aus dem Stand der Technik sind angesteuerte Verstelleinrichtungen bekannt, sodass in Abhängigkeit eines Fahrzustands des Kraftfahrzeugs jeweils nur bestimmte Öffnungen vor Sensoren geöffnet werden. Dies erfolgt mit Verstellungen von Klappen, um bei Nicht-Betrieb eines Sensors diesen vor Schmutz zu schützen.
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Die
DE 10 2019 116 319 A1 betrifft hierzu eine Anordnung eines Fahrzeugs, umfassend eine Frontverkleidung mit zumindest einer Sensoröffnung und einer Lufteinlassöffnung, einen Sensor, welcher fahrzeuginnenseitig der Frontverkleidung angeordnet ist, und welcher insbesondere als Umfeldsensor ausgebildet ist, eine erste Klappe, welche eingerichtet ist, die Sensoröffnung in einem Sichtbereich des Sensors freizugeben und zu verschließen; eine zweite Klappe, welche eingerichtet ist, die Lufteinlassöffnung freizugeben und zu verschließen; eine Verstelleinrichtung, welche eingerichtet, die Klappen jeweils in eine Öffnungsposition oder in eine Schließposition zu bewegen, und eine Steuereinrichtung, welche eingerichtet ist, die Verstelleinrichtung anzusteuern.
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Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass eine eigene Verstelleinrichtung notwendig ist, um Fahrzeug-Zustand-abhängig einen Sichtbereich eines Sensors freizugeben. Fällt diese Verstelleinrichtung aus, so kann ein eigentlich einwandfrei funktionierender Sensor dennoch nicht genutzt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist deshalb, eine verbesserte Vorrichtung zum Schutz eines Sensors im Bereich einer Front eines Fahrzeugs vor Verschmutzung bereitzustellen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Fahrzeugfront, aufweisend ein Bauelement zum Aufnehmen eines Sensors mit einem Erfassungsbereich in die Umgebung vorderhalb des Fahrzeugs, und aufweisend eine Strömungsleiteinrichtung zur Anordnung vorderhalb und/oder unterhalb des Bauelements, wobei die Strömungsleiteinrichtung beabstandet zu einem Frontabdeckungselement der Sensoranordnung zum Ausbilden eines flächig begrenzten Spalts zwischen der Strömungsleiteinrichtung und dem Frontabdeckungselement angeordnet ist, sodass durch den flächig begrenzten Spalt, bewirkt durch einen aerodynamischen Staudruck an einer Fahrzeugfront, eine Luftströmung durch eine Lauflänge des Spalts strömt und anschließend mit zumindest einer Richtungs-Komponente tangential über eine Frontseite des Sensors strömt.
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Somit sind insbesondere Teil der Sensoranordnung: Das Bauelement zum Aufnehmen des Sensors, die Strömungsleiteinrichtung, sowie das Frontabdeckungselement. Bevorzugt ist das Frontabdeckungselement in einen vorderen Stoßfänger unterhalb der Motorhaube integriert, oder das Frontabdeckungselement ist der Stoßfänger selbst. Indem die Strömungsleiteinrichtung von dem Frontabdeckungselement beabstandet angeordnet ist, bilden beide miteinander einen zwischen ihnen liegenden Spalt aus.
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Der Spalt ist über eine gewisse Lauflänge von der Strömungsleiteinrichtung und dem Frontabdeckungselement flächig umgeben, sodass sich eine möglichst laminare Strömung über eine gewisse Länge, der Lauflänge innerhalb des Spalts ausbildet.
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Die Lauflänge beschreibt daher diejenige Länge, die von der Strömungsleiteinrichtung und dem Frontabdeckungselement so umgeben wird, dass dazwischen der Spalt ausgebildet wird. Verursacht durch den Staudruck an der Front des Fahrzeugs und der sich damit ergebenden Luftströmung von der Front des Fahrzeugs entlang der Seitenflächen, über die Motorhaube, die Frontscheibe und das Dach des Fahrzeugs wird der Spalt bei einer regulären Fahrt des Fahrzeugs mit aerodynamischer Anströmung von vorne wird ein Teil dieser regulären Umströmung an der Front des Fahrzeugs abgeleitet und durch den Spalt geleitet.
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Die am Ende des Spalts nach dem Durchströmen der vollständigen Lauflänge austretende Luftströmung wird damit entlang der Frontseite des Sensors zumindest mit einer wesentlichen Komponente der Luftströmung tangential geleitet. Die tangentiale Strömung verursacht eine kontinuierliche Reinigung der Frontseite des Sensors, sodass sich dort kein in der Luft befindlicher Schmutz, oder in Spritzwasser befindlicher Schmutz, absetzen kann.
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So können vorteilhaft an der Fahrzeugfront angeordnete Sensoren ausreichend zuverlässig betrieben werden, und Schmutzablagerungen daran verhindert werden, um deren Ausfälle bei Schlechtwetter oder verschmutzten Straßen zu reduzieren. Dies ist insbesondere für hochautomatisierte Fahrzeuge wichtig, die aufgrund von Sensordaten dazu in der Lage sind, eigenmächtig Entscheidungen über die Fahrzeugführung zu treffen, beispielsweise eine Notbremsung auszulösen oder eine vollautonome Fahrt selbstständig durchzuführen. Ist beispielsweise der Sensor ein LiDAR oder eine Kamera, so wären Schmutzpartikel in hoher Dichte gegenüber einer zuverlässigen Erkennung der Umgebung äußerst kritisch.
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Wird außerdem wie eingangs erwähnt eine aktive Strömungserzeugungseinrichtung zum Anblasen der Frontseite des Sensors vorgesehen, so wird durch die austretende Luftströmung am Ende des Spalts die um die Sensor- Frontseite strömende Luftströmungsrichtung durch die Strömungsrichtung der am Spalt austretenden Luft dominiert, und nicht länger durch einen Wirbel der natürlicherweise um das Fahrzeug strömenden Luft. Es kann sogar vorteilhaft ganz auf eine solche aktive Strömungserzeugungseinrichtung verzichtet werden, da dessen Funktion bereits durch die am Spalt ausströmende Luft übernommen wird.
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Bevorzugt ist das Ende des Spalts am Ende der Lauflänge des Spalts, d. h. beim Austritt der durch den Spalt strömenden Luft, so nahe an der Frontseite des Sensors angeordnet, dass die tangential zur Frontseite des Sensors strömende Luft nach ihrem Austritt aus dem Spalt möglichst laminar ist. So ist ermöglicht, dass die Spaltströmung durch die Strömungsleiteinrichtung möglichst verlustfrei für die passive Schmutzfreihaltung des Sensors genutzt wird.
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Je weniger turbulent die Strömung ist, die den Spalt verlässt, umso leichter kann die Verhinderung einer Ablagerung von Schmutz auf der Frontseite des Sensors verhindert werden. Bei Turbulenzen nämlich ist es im Allgemeinen schwer vorherzusagen, wie die netto-Tangentialströmung entlang der Frontseite des Sensors zeitabhängig verlaufen wird, hierbei können sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeiten durch Interferenzen von entgegengerichteten Strömungen oder andere unerwünschte Effekte auftreten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Strömungsleiteinrichtung ein gerades, geknicktes oder gekrümmtes plattenförmiges Windleitblech auf.
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Das Windleitblech umfasst hierbei ein metallisches Blech als Grundkörper, das jedoch zum Korrosionsschutz auch von einer Kunststoffschicht bedeckt sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Strömungsleiteinrichtung ein gerades, geknicktes oder gekrümmtes plattenförmiges Element aus Kunststoff oder Faser-Verbund-Kunststoff auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Spalt zwischen der Strömungsleiteinrichtung und dem Frontabdeckungselement zu Beginn der Lauflänge größer als am Ende der Lauflänge, sodass ein verringerter Querschnitt am Austritt der Luftströmung aus dem Spalt im Vergleich zum Eintritt der Luftströmung erhalten wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Breite des Spalts zu Beginn der Lauflänge größer als eine Breite des Spalts am Ende der Lauflänge, sodass ein verringerter Querschnitt am Austritt der Luftströmung aus dem Spalt im Vergleich zum Eintritt der Luftströmung erhalten wird.
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Die beiden vorhergehenden Ausführungsformen können auch kombiniert werden, um einen prismatisch-trichterförmigen Spalt zu erzeugen. Ob nur die Breite sich entlang der Lauflänge verjüngt, oder ob sich nur die Höhe des Spalts entlang der Lauflänge verjüngt, oder ob beides kombiniert wird - sämtliche dieser bewussten Formgebungen des Spalts führen dazu, dass ein Strömungsquerschnitt beim Auslass der durch den Spalt strömenden Luft kleiner ist als im Einlass zu Beginn des Spalts. Dies führt vorteilhaft zu einer Geschwindigkeitserhöhung am Auslass des Spalts, wodurch auch höhere Geschwindigkeiten der Luft entlang an der Frontseite des Sensors erwartet werden können. Dies wiederum führt vorteilhaft zu einem besseren Abblasen von Schmutz, der an der Frontseite des Sensors haftet. Mit einem vergrößerten Einlass-Querschnitt zu Beginn des Spalts kann auch ein höherer Anteil von Luft, der das Fahrzeug von der Front her umströmt, eingefangen werden und zum Abblasen von Schmutz von der Frontseite des Sensors verwendet werden, da sich dadurch ein höherer Massenstrom ergibt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Sensoranordnung weiterhin eine Verstelleinrichtung auf, die dazu ausgeführt ist, die Strömungsleiteinrichtung zwischen einer eingefahrenen Position, in der die Strömungsleiteinrichtung an dem Frontabdeckungselement spaltfrei anliegt, und einer ausgefahrenen Position zur Bildung des Spalts zu bewegen.
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Die Verstelleinrichtung, wenn aktorisch betrieben, kann beispielsweise nur dann bewusst ausgefahren werden, wenn die Frontseite des Sensors verschmutzt ist. Dies spart vorteilhaft den aerodynamischen Widerstand ein, der durch die Strömungsleiteinrichtung selbst verursacht wird, solange die Frontseite des Sensors nicht verschmutzt ist. Wird demgegenüber die Verstelleinrichtung mechanisch an einen Staudruck im Bereich der Front des Fahrzeugs oder einer umströmenden Geschwindigkeit nach dem Prinzip einer Venturi-Sonde beispielsweise näherungsweise mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit gekoppelt, so kann die Verstelleinrichtung auch abhängig von der aerodynamischen Geschwindigkeit des Fahrzeugs betrieben werden, um insbesondere die Strömungsleiteinrichtung oberhalb oder unterhalb einer gewissen Grenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs auszufahren, um eine Reinigung der Frontseite des Sensors hervorzurufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Verstelleinrichtung einen Aktor auf, der mit einer Steuereinheit verbunden ist, um den Spalt auf Ansteuerung hin durch die Steuereinheit wahlweise auszubilden oder zu schließen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Verstelleinrichtung mit einer mechanischen Kopplung zur Luftströmungsgeschwindigkeit der das Fahrzeug umströmenden Umgebungsluft oder mit einer mechanischen Staudruck-Kopplung verbunden, um bei einer aerodynamischen Geschwindigkeit oberhalb einer bestimmten Grenze selbstständig die Strömungsleiteinrichtung von dem Frontabdeckungselement zur Ausbildung des Spalts zu entfernen, um den Spalt auszubilden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Motorhaube des Fahrzeugs Teil der Sensoranordnung, wobei in der Motorhaube eine Öffnung vorgesehen ist, die so angeordnet ist, dass der durch den Spalt austretende und tangential an der Oberfläche des Sensors vorbeiströmende Luftstrom durch die Öffnung der Motorhaube zumindest teilweise wieder austritt.
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Damit wird der Abstrom der über die Frontseite des Sensors strömenden Luft besser freigelegt, um Behinderungen des Abstroms zu verhindern. Dadurch wiederum kann sich eine ungestörte Strömung über die Frontseite des Sensors einstellen und mit maximal erreichbarer Geschwindigkeit erfolgen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Sensoranordnung wie oben und im Folgenden beschrieben.
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Vorteile und bevorzugte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Fahrzeugs ergeben sich durch eine analoge und sinngemäße Übertragung der im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Sensoranordnung vorstehend gemachten Ausführungen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1: Ein Fahrzeug mit einem beispielhaft angeordneten und von potentieller Verschmutzung betroffenem Sensor.
- 2: Eine konventionelle Sensoranordnung in einer Seitenansicht.
- 3: Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 4: Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
- 5: Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Seitenansicht.
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Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Sensor 3 an seiner Fahrzeugfront. Hierbei ist ein in Fahrtrichtung gerichteter LiDAR zur Sicherstellung seiner Funktionalität im vorderen Stoßfänger unterhalb der Motorhaube des Fahrzeugs positioniert. Der LiDAR-Sensor sendet rasternd Laserstrahlen in die Umgebung des Fahrzeugs aus und erfasst deren Reflexionen mit einer Information über die Laufzeit, um ein räumliches Modell der Umgebung erzeugen zu können. Die Blickrichtung auf das Fahrzeug der 1 fällt mit einer typischen Strömungsrichtung im regulären Betrieb des Fahrzeugs zusammen. Dabei entsteht ein lokales Überdruckgebiet an der Fahrzeugfront, und die aufgestaute Luft strömt seitlich und oberhalb des Fahrzeugs entlang, und teilweise unter dem Unterboden durch. Dabei wird auch eine Motorhaube 9 überströmt, unter dessen vorderen Ende sich der Sensor 3 angeordnet befindet.
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2 zeigt aus seiner Seitenansicht (d. h. 90° gedreht zur Blickrichtung der 1, in der 2 ist links die Fahrzeugfront, rechts der nicht gezeigte hintere Teil des Fahrzeugs) eine konventionelle Sensoranordnung eines Sensors 3 unterhalb der Vorderkante einer Motorhaube 9. Hierbei besteht bereits eine Strömungsrichtung der Luft, welche zumindest im Bereich der Fahrzeugfront im Wesentlichen der Kontur des Fahrzeugs folgt, die eine Komponente gegen die Fahrtrichtung und eine senkrechte Komponente nach oben aufweist. Im Bereich des Sensors 3 besteht eine geometrische Abweichung zu einer Hauptströmung von einem vorderen Stoßfänger unten auf eine Oberfläche der Motorhaube 9 hin, welche zu Turbulenzen führt. Die Strömungsrichtungen der Luft sind beispielhaft mit gestrichelten Pfeilen skizziert. Der Wirbel vorderhalb der Frontseite des Sensors 3 kann zu Verschmutzungen führen. Der Sensor 3 ist durch ein Bauelement 1 gehalten und wird von diesem aufgenommen.
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3 zeigt eine modifizierte Sensoranordnung im Vergleich zur 2. Bei einer solchen wie in 3 beispielhaft gezeigten Sensoranordnung, die auf der konventionellen der 2 basiert, wird zusätzlich vorderhalb eines Frontabdeckungselements 7 eine Strömungsleiteinrichtung 5 angeordnet. Das Frontabdeckungselement 7 und die Strömungsleiteinrichtung 5 erstrecken sich beide im Wesentlichen parallel zueinander entlang einer Lauflänge eines typischen Stromfadens zwischen dem Frontabdeckungselement 7 und der Strömungsleiteinrichtung 5. Der Spalt zwischen dem Frontabdeckungselement 7 und der Strömungsleiteinrichtung 5 dient dabei als Führung von Luft, die von einem Front-Stoßfänger herkommend, wo sie aufgestaut wird und lokalen Überdruck erfährt, hin zu einer Frontseite des Sensors 3 strömt. Die wiederum als gestrichelt eingezeichneten Pfeile skizzieren den Verlauf der Strömung durch den Spalt. Nach dem Austritt der Luft hinter dem Spalt fließt so die Luft zumindest in einer wesentlichen Komponente tangential zu einer Frontseite des Sensors 3 nach oben zur Motorhaube 9 hin. Die Strömungsleiteinrichtung 5 dient so in einer Rolle als Windleitblech zur Verhinderung des in 2 gezeigten Wirbels mit Wirkung auf der Frontseite des Sensors 3, sodass eine ausreichend schnelle und möglichst laminare Strömung entlang der Frontseite des Sensors 3 bei entsprechender aerodynamischer Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs erhalten wird. Ein Wirbel, wie der in 2 gezeigte, kann hierbei dennoch bestehen, die lokale Strömung an der Frontseite des Sensors 3 wird jedoch von der aus dem Spalt ausströmenden Luft dominiert, sodass Schmutz von der Frontseite weggeblasen wird.
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4 zeigt eine Variante der Sensoranordnung aus der 3. In dieser Variante wird zur weiter verbesserten Strömung entlang der Frontseite des Sensors 3 eine Öffnung 11 in der Motorhaube 9 vorgesehen, um die über die Frontseite des Sensors 3 strömende Luft möglichst geradlinig und laminar durch die Öffnung 11 ins Freie zu leiten. Der über die Motorhaube 9 strömende Luftstrom entfaltet dabei durch den lokalen Unterdruck, verursacht durch die Strömungsgeschwindigkeit, eine Saugwirkung, sodass sich vor dem Sensor 3 stauende Luft bei ausreichend hoher Vorwärtsgeschwindigkeit des Fahrzeugs leicht von der Frontseite Sensors 3 entfernt.
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5 zeigt eine weitere Variante der Sensoranordnung. In dieser Variante ist im Gegensatz zur Variante der 3 der Spalt nicht über die Lauflänge konstant hoch, sondern verengt sich mit zunehmender Lauflänge, um einen Düseneffekt zu erzeugen, d. h. um die Strömungsgeschwindigkeit am Austritt aus dem Spalt zu vergrößern.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehende Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019116319 A1 [0006]