DE102010005824A1 - Flüssigkeitskühlsystem eines durch einen Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors und Verfahren zur Kühlung eines Turbinengehäuses eines Turboladers - Google Patents

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Abstract

Ein Flüssigkeitskühlsystem (16) eines durch einen Turbolader (1) aufgeladenen Verbrennungsmotors umfasst einen von einer Kühlmittelpumpe (34) betreibbaren ersten Kühlkreislauf (17), der durch einen Motorblockkühlmantel (18) verläuft, und einen von dem ersten Kühlkreislauf (17) abgezweigten zweiten Kühlkreislauf (21), der durch einen zwischen einer inneren Wand (9) und einer äußeren Wand (10) eines doppelwandigen Turbinengehäuses (15) des Turboladers (1) ausgebildeten Kühlmantel (8) verläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Flüssigkeitskühlsystem eines durch einen Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Kühlung eines Turbinengehäuses eines Turboladers.
  • Verbrennungsmotoren, insbesondere Otto- und Dieselmotoren, verfügen über ein komplexes Flüssigkeitskühlsystem, an das bei verschiedenen Betriebsbedingungen unterschiedliche Anforderungen gestellt werden. Beispielsweise soll der Motorblock im Volllastbetrieb effektiv gekühlt werden, während beispielsweise bei einem Kaltstart eine Wärmezufuhr zum Motorblock wünschenswert wäre, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Neben dem Motorblock werden auch weitere Komponenten gekühlt, beispielsweise das Turbinenlagergehäuse eines Turboladers.
  • Aus der US 6,553,762 B2 ist es bekannt, das Turbinengehäuse eines Turboladers doppelwandig auszubilden und mit Hilfe eines Kühlmittels zu kühlen. Es werden jedoch keine Ausführungen dazu gemacht, wie die Zu- und Abfuhr von Kühlmittel erfolgen soll.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flüssigkeitskühlsystem eines durch einen Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors anzugeben, mit dem ein verbessertes Thermomanagement insbesondere auch beim Warmlauf des Motors erzielt wird.
  • Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Verfahren zur Kühlung eines Turbinengehäuses eines Turboladers anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Flüssigkeitskühlsystem eines durch einen Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors umfasst einen von einer Kühlmittelpumpe betreibbaren ersten Kühlkreislauf, der durch einen Motorblockkühlmantel verläuft, und einen von dem ersten Kühlkreislauf abgezweigten zweiten Kühlkreislauf, der durch einen zwischen einer inneren Wand und einer äußeren Wand eines doppelwandigen Turbinengehäuses des Turboladers ausgebildeten Kühlmantel verläuft.
  • Somit wird eine Kühlung des Turbinengehäuses des Turboladers bereitgestellt, die neben der Wärmeabfuhr und der damit verbundenen Entlastung des Turbinengehäuses auch eine Nutzung der abgeführten Wärme dadurch ermöglicht, dass die Kühlung des Turbinengehäuses auf intelligente Weise in das gesamte Flüssigkeitskühlsystem einbezogen wird. Dazu findet ein Austausch von Kühlmittel und damit auch ein Austausch von Wärme zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelkreislauf statt.
  • Dieses Flüssigkeitssystem hat den Vorteil, dass es einen Transport von Wärme von dem Turbinengehäuse des Turboladers zum Motorblock ermöglicht, was insbesondere bei einem Kaltstart vorteilhaft ist. Wie nämlich Untersuchungen ergeben haben, ist das Turbinengehäuse eine besonders schnell aufheizende Komponente. Es stellt somit besonders früh nach dem Starten Wärme zur Verfügung, die zur Erwärmung des Motors und damit zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs genutzt werden kann.
  • In einer Ausführungsform weist der zweite Kühlkreislauf stromaufwärts von dem Kühlmantel des Turbinengehäuses eine Abzweigung zum Turbinenlagergehäuse des Turboladers auf, so dass auch eine Kühlung des thermisch stark beanspruchten Turbinenlagergehäuses innerhalb des Flüssigkeitskühlsystems möglich ist.
  • In einer Ausführungsform ist im zweiten Kühlkreislauf ein Temperatursensor vorgesehen, der beispielsweise stromabwärts von dem Kühlmantel des Turbinengehäuses angeordnet sein kann.
  • In einer Ausführungsform ist im zweiten Kühlkreislauf stromaufwärts von dem Kühlmantel des Turbinengehäuses ein von einer Motorsteuerung ansteuerbares Schaltventil vorgesehen.
  • Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass durch die Kontrolle durch die Motorsteuerung ein optimal an die aktuellen Betriebsbedingungen angepasstes Thermomanagement im Flüssigkeitskühlsystem erfolgen kann. Dazu erhält die Motorsteuerung zur Ansteuerung des Schaltventils als Eingangsgrößen ein Temperatursignal des Temperatursensors, ein Temperatursignal eines weiteren Temperatursensors, der im ersten Kühlkreislauf stromabwärts eines Motorblockkühlmantels angeordnet ist, die momentane Motordrehzahl und das momentane Motordrehmoment.
  • In einer Ausführungsform ist das Schaltventil zwischen der Abzweigung zum Turbinenlagergehäuse des Turboladers und dem Kühlmantel des Turbinengehäuses angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass die Kühlung des Turbinenlagergehäuses auf bekannte Art und Weise erfolgt, während zusätzlich die intelligente Kühlung des Turbinengehäuses implementiert wird.
  • In einer Ausführungsform ist im ersten Kühlkreislauf eine schaltbare Kühlmittelpumpe vorgesehen, die den Kühlmittelzufluss zum Motorblockkühlmantel kontrolliert.
  • Mit einem derartigen Flüssigkeitskühlsystem kann Wärme wie folgt optimal verteilt werden: Das Turbinengehäuse stellt ein Wärmereservoir dar, das bereits sehr schnell nach dem Motorstart größere Wärmemengen zur Verfügung stellen kann. Ein Maß für die aus diesem Reservoir entnehmbare und dem Motorblock zur Erwärmung zuführbare Wärme ist die Differenz der durch den Temperatursensor und den weiteren Temperatursensor gemessenen Temperaturen. Ist diese Differenz groß, besteht ein großes Potenzial, den Motorblock durch Zuführung von Wärme aus dem Turbinengehäuse des Turboladers aufzuheizen. Dementsprechend wird in diesem Fall zum einen das Schaltventil im zweiten Kühlkreislauf beispielsweise pulsweitenmoduliert derart geöffnet, dass der Volumenstrom von Kühlmittel im zweiten Kühlkreislauf erhöht wird. Damit ist eine effektive Abfuhr von Wärme aus dem Turbinengehäuse ermöglicht. Um diese Wärme dem Motorblock zuzuführen, wird die schaltbare Kühlmittelpumpe derart betrieben, dass sie das erwärmte Kühlmittel in den Motorblockkühlmantel schiebt.
  • Ist die Differenz der durch den Temperatursensor und den weiteren Temperatursensor gemessenen Temperaturen klein, so steht entweder kurz nach dem Start noch nicht genügend Wärme am Turbinengehäuse für eine Erwärmung des Motorblocks zur Verfügung oder der Motorblock ist bereits selbst auf eine hohe Betriebstemperatur aufgeheizt. In beiden Fällen ist eine zusätzliche Erwärmung des Motorblocks durch Abwärme des Turbinengehäuses nicht möglich oder wünschenswert. Es ist dann jedoch durch den Kühlmantel eine Kühlung des Turbinengehäuses möglich, die dieses vor zu hohen thermischen Belastungen schützt und die durch das ansteuerbare Schaltventil von der Motorsteuerung kontrolliert werden kann.
  • Die Vernetzung der Kühlung des Motorblocks und des Turbinengehäuses des Turboladers, die durch die Motorsteuerung auf intelligente Art und Weise kontrolliert wird, ermöglicht somit in jedem Betriebszustand des Verbrennungsmotors eine günstige Verteilung, das heißt Abfuhr und Umverteilung der erzeugten Wärme. Auf diese Weise kann nicht nur die thermische Belastung einzelner Komponenten verringert, sondern auch insbesondere bei einem Kaltstart der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
  • In einer Ausführungsform ist das doppelwandige Turbinengehäuse aus Blech ausgebildet und beispielsweise durch Tiefziehen und/oder Schweißen hergestellt. Gegenüber der sonst üblichen Verwendung von Gussteilen hat das den Vorteil, dass das Turbinengehäuse verhältnismäßig leicht ist. Darüber hinaus wird eine gute Wärmeleitung des Turbinengehäuses verwirklicht.
  • Das Flüssigkeitskühlsystem eignet sich insbesondere für den Einsatz mit Verbrennungsmotoren, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren, eines Kraftfahrzeugs.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Kühlung eines Turbinengehäuses eines Turboladers der Durchfluss von Kühlmittel durch einen Kühlmantel des Turbinengehäuses mittels eines von einer Motorsteuerung ansteuerbaren Schaltventils gesteuert und/oder geregelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform werden dabei der Motorsteuerung als Eingangsgrößen die Motordrehzahl, das Motormoment, eine stromabwärts vom Kühlmantel des Turbinengehäuses gemessene Temperatur T2 und eine stromabwärts von einem Motorblockkühlmantel gemessene Temperatur T1 zugeführt.
  • In einer Ausführungsform wird als eine Steuergröße für die Ansteuerung des Schaltventils eine Differenz ΔT mit ΔT = T2 – T1 verwendet.
  • In einer Ausführungsform erfolgt eine Steuerung und/oder Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch den Motorblockkühlmantel durch eine von der Motorsteuerung ansteuerbare schaltbare Kühlmittelpumpe.
  • Die Steuerung und/oder Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch den Motorblockkühlmantel kann insbesondere abhängig von der Temperatur T1 und/oder der Temperatur T2, insbesondere auch abhängig von der Temperaturdifferenz ΔT = T2 – T1, erfolgen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
  • 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Turbolader gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
  • 2 zeigt schematisch ein Schaltbild eines Flüssigkeitskühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der Turbolader 1 gemäß 1 weist einen Verdichter 2, eine Turbine 4 und eine Verdichter 2 und Turbine 4 verbindende Welle 3 auf. Die Welle 3 ist in einem Turbinenlagergehäuse 12 durch ein Turbinenlager 14 gelagert.
  • Im Verdichter 2 wird durch den Lufteinlass 5 zugeführte Frischluft verdichtet und durch den Luftauslass 13 abgeführt und im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt. Zum Betreiben des Verdichters wird die Energie des Abgases genutzt, das durch den Abgaseinlass 6 in die Turbine 4 gelangt, wo es sich entspannt, und die es durch den Abgasauslass 7 wieder verlässt.
  • Im Betrieb erhitzt sich das Turbinengehäuse 15 durch das heiße Abgas stark. Das Turbinengehäuse 15 ist doppelwandig mit einer inneren Wand 9 und einer äußeren Wand 10 ausgebildet, wobei zwischen der inneren Wand 9 und der äußeren Wand 10 ein Kühlmantel 8 gebildet ist, in dem ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, strömt.
  • Das Turbinengehäuse 15 mit der inneren Wand 9 und der äußeren Wand 10 ist aus Blech als Tiefziehteil ausgebildet und weist eine Anzahl von Schweißstellen 11 auf.
  • Der Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 ist an ein Flüssigkeitskühlsystem eines Kraftfahrzeugs angeschlossen, von dem 2 schematisch ein Schaltbild gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Das Flüssigkeitskühlsystem 16 weist einen als Motorkühlkreislauf ausgebildeten ersten Kühlkreislauf 17 auf, der den Motorblockkühlmantel 18 eines Motorblocks 19 umfasst. Eine schaltbare Kühlmittelpumpe 34 steuert bzw. regelt den Kühlmittelfluss. Ferner ist im ersten Kühlkreislauf 17 ein Temperatursensor 29 angeordnet, der die Kühlmitteltemperatur T1 stromabwärts vom Motorblockkühlmantel 18 erfasst.
  • Das Flüssigkeitskühlsystem 16 weist weiterhin einen vom ersten Kühlkreislauf 17 abgezweigten, als Turboladerkreislauf ausgebildeten zweiten Kühlkreislauf 21 auf, der den Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 eines Turboladers 1 umfasst. Stromaufwärts vom Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 ist im zweiten Kühlkreislauf 21 ein Schaltventil 35 angeordnet, über das der Kühlmittelfluss zum Turbinengehäuse 15 steuerbar bzw. regelbar ist.
  • Stromaufwärts von dem Schaltventil 35 zweigt am Abzweig 25 eine Leitung 27 ab, die auf bekannte Weise das Turbinenlagergehäuse 12 des Turboladers 1 kühlt. Dabei ist die Leitung 27 in der gezeigten Ausführungsform für einen geringeren Volumenstrom ausgelegt als die Leitung 26, die den Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 versorgt.
  • Stromabwärts vom Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 ist ein Temperatursensor 28 angeordnet, der die Kühlmitteltemperatur T2 stromabwärts vom Turbinengehäuse 15 erfasst.
  • Das gezeigte Flüssigkeitskühlsystem 16 weist als weitere Komponenten einen Kühler 20, einen Motorölkühler 30, einen Ausgleichsbehälter 31, eines Heizungswärmetauscher 32 sowie eine weitere Pumpe 33 auf.
  • Die Kühlmittelpumpe 34 und das Schaltventil 35 sind durch die Motorsteuerung 36 ansteuerbar. Die Motorsteuerung 36 erhält dazu als Eingangssignale insbesondere die durch die Temperatursensoren 28, 29 gemessenen Temperaturen T1, T2 sowie Werte für die momentane Motordrehzahl und das momentane Motordrehmoment.
  • Im Betrieb veranlasst die Motorsteuerung 36 eine Kühlmittelförderung im ersten Kühlkreislauf 17 und im zweiten Kühlkreislauf 21 derart, dass ein optimal auf die herrschenden Betriebsbedingungen abgestimmtes Thermomanagement erfolgen kann. Dies wird anhand von zwei speziellen Betriebszuständen, dem Kaltstart und dem Volllastbetrieb, erläutert:
    Bei einem Kaltstart wird der Motorblock 19 durch die ungleichmäßige Erwärmung seiner Komponenten stark belastet, was zu einem erhöhten Verschleiß führt. Zudem ist bei manchen Motoren eine Kraftstoffanfettung wegen der Kondensation von Kraftstoff im Ansaugtrakt und im Zylinder notwendig, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge hat. Es ist daher wünschenswert, den Motorblock 19 möglichst schnell auf eine günstige Betriebstemperatur zu bringen.
  • Dazu wird bei dem Flüssigkeitskühlsystem 16 Wärme aus dem Turbinengehäuse 15 des Turboladers 1 genutzt, da sich das Turbinengehäuse 15 beim Starten besonders schnell erwärmt und somit besonders früh eine größere Wärmemenge zur Verfügung stellt.
  • Wenn die Motorsteuerung 36 aufgrund der momentanen Werte der Motordrehzahl und des Motordrehmoments sowie der durch die Temperatursensoren 28 und 29 gemessenen Kühlmitteltemperaturen eine Kaltstartsituation feststellt, wird das Schaltventil 35, das beispielsweise pulsweitenmoduliert angesteuert wird, vermehrt geöffnet, so dass der Volumenstrom durch den Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 erhöht wird. Gleichzeitig fördert die schaltbare Kühlmittelpumpe 34 nach Bedarf eine erhöhte Menge erwärmtes Kühlwasser in den Motorblockkühlmantel 18.
  • Im Volllastbetrieb besteht typischerweise kein Bedarf, dem Motorblock 19 von außen Wärme zuzuführen. Die vom Temperatursensor 29 gemessene Temperatur T1 ist dann auch so nahe an der vom Temperatursensor 28 gemessenen Temperatur T2, dass der Kühlmantel 8 des Turbinengehäuses 15 kein sehr ergiebiges Wärmereservoir mehr darstellt. In diesem Betriebzustand wird das Schaltventil 35 im Hinblick auf eine gute Kühlung des Turbinengehäuses angesteuert, wobei als Regelgröße insbesondere die vom Temperatursensor 28 gemessene Temperatur T2 dienen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Turbolader
    2
    Verdichter
    3
    Welle
    4
    Turbine
    5
    Lufteinlass
    6
    Abgaseinlass
    7
    Abgasauslass
    8
    Kühlmantel
    9
    innere Wand
    10
    äußere Wand
    11
    Schweißstelle
    12
    Turbinenlagergehäuse
    13
    Luftauslass
    14
    Turbinenlager
    15
    Turbinengehäuse
    16
    Flüssigkeitskühlsystem
    17
    erster Kühlkreislauf
    18
    Motorblockkühlmantel
    19
    Motorblock
    20
    Kühler
    21
    zweiter Kühlkreislauf
    25
    Abzweig
    26
    Leitung
    27
    Leitung
    28
    Temperatursensor
    29
    Temperatursensor
    30
    Motorölkühler
    31
    Ausgleichsbehälter
    32
    Heizungswärmetauscher
    33
    Pumpe
    34
    schaltbare Kühlmittelpumpe
    35
    Schaltventil
    36
    Motorsteuerung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6553762 B2 [0003]

Claims (15)

  1. Flüssigkeitskühlsystem (16) eines durch einen Turbolader (1) aufgeladenen Verbrennungsmotors, umfassend – einen von einer Kühlmittelpumpe (34) betreibbaren ersten Kühlkreislauf (17), der durch einen Motorblockkühlmantel (18) verläuft, und – einen von dem ersten Kühlkreislauf (17) abgezweigten zweiten Kühlkreislauf (21), der durch einen zwischen einer inneren Wand (9) und einer äußeren Wand (10) eines doppelwandigen Turbinengehäuses (15) des Turboladers (1) ausgebildeten Kühlmantel (8) verläuft.
  2. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach Anspruch 1, wobei der zweite Kühlkreislauf (21) stromaufwärts von dem Kühlmantel (8) des Turbinengehäuses (15) eine Abzweigung (25) zum Turbinenlagergehäuse (12) des Turboladers (1) aufweist.
  3. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach Anspruch 1 oder 2, wobei im zweiten Kühlkreislauf (21) ein Temperatursensor (28) vorgesehen ist.
  4. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach Anspruch 3, wobei der Temperatursensor (28) stromabwärts von dem Kühlmantel (8) des Turbinengehäuses (15) angeordnet ist.
  5. Flussigkeitskühlsystem (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im zweiten Kühlkreislauf (21) stromaufwärts von dem Kühlmantel (8) des Turbinengehäuses (15) ein von einer Motorsteuerung (36) ansteuerbares Schaltventil (35) vorgesehen ist.
  6. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach Anspruch 5, wobei die Motorsteuerung (26) zur Ansteuerung des Schaltventils (35) als Eingangsgrößen – ein Temperatursignal des Temperatursensors (29) und – ein Temperatursignal eines weiteren Temperatursensors (28), der im ersten Kühlkreislauf (17) stromabwärts eines Motorblockkühlmantels (18) angeordnet ist, – die momentane Motordrehzahl und – das momentane Motordrehmoment erhält.
  7. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Schaltventil (35) zwischen der Abzweigung (25) zum Turbinenlagergehäuse (12) des Turboladers (1) und dem Kühlmantel (8) des Turbinengehäuses (15) angeordnet ist.
  8. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im ersten Kühlkreislauf (17) eine schaltbare Kühlmittelpumpe (34) vorgesehen ist.
  9. Flüssigkeitskühlsystem (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das doppelwandige Turbinengehäuse (15) aus Blech ausgebildet ist.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Flüssigkeitskühlsystem (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Verfahren zur Kühlung eines Turbinengehäuses (15) eines Turboladers (1), wobei der Durchfluss von Kühlmittel durch einen Kühlmantel (8) des Turbinengehäuses (15) mittels eines von einer Motorsteuerung (36) ansteuerbaren Schaltventils (35) gesteuert und/oder geregelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Motorsteuerung (36) als Eingangsgrößen die Motordrehzahl, das Motormoment, eine stromabwärts vom Kühlmantel (8) des Turbinengehäuses (15) gemessene Temperatur T2 und eine stromabwärts von einem Motorblockkühlmantel (18) gemessene Temperatur T1 zugeführt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei als eine Steuergröße für die Ansteuerung des Schaltventils (35) eine Differenz ΔT mit ΔT = T1 – T2 verwendet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Steuerung und/oder Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch den Motorblockkühlmantel (18) durch eine von der Motorsteuerung (36) ansteuerbare schaltbare Kühlmittelpumpe (34) erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Steuerung und/oder Regelung des Kühlmitteldurchflusses durch den Motorblockkühlmantel (18) abhängig von der Temperatur T1 und/oder der Temperatur T2 erfolgt.
DE102010005824A 2010-01-27 2010-01-27 Flüssigkeitskühlsystem eines durch einen Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotors und Verfahren zur Kühlung eines Turbinengehäuses eines Turboladers Withdrawn DE102010005824A1 (de)

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