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Die Erfindung betrifft ein Ansaugmodul für eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Verbrennungskraftmaschine mit einem solchen Ansaugmodul.
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Aus der
DE 10 2007 051 505 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Saugrohr in einer Frischluftanlage bekannt, wobei das Saugrohr in Einlasskanäle in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mündet. Ferner umfasst die Brennkraftmaschine eine Abgasanlage und einen Abgasturbolader, der eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine und einen von der Turbine angetriebenen, in der Frischluftanlage angeordneten Verdichter aufweist. Die Turbine weist einen Wastegate-Kanal zum überbrückenden Vorbeiströmen des Abgases an einem Turbinenrad der Turbine auf, wobei in den Wastegate-Kanal ein Wastegate zum wahlweise Öffnen und Verschließen des Wastegate-Kanals angeordnet ist. Dabei ist ein elektrischer Aktuator zum Betätigen des Wastegate-Ventils vorgesehen. Darüber hinaus ist in der Frischluftanlage stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler angeordnet. Der Ladeluftkühler ist in das Saugrohr integriert, wobei der Ladeluftkühler mit einem wassergekühlten Wärmetauscher ausgebildet ist.
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Der
DE 10 2007 045 347 A1 ist eine Vorrichtung für die Ladeluftkühlung von Verbrennungskraftmaschinen zu entnehmen, wobei wenigstens ein Ladeluftkühler und ein Kühlmittelkreislauf mit Kühlmittel vorgesehen sind. Dabei ist wenigstens ein Wärmetauscher des Ladeluftkühlers für die Kühlung eines der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluftstroms zumindest mit einem Teil des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs beaufschlagbar. Der Wärmetauscher des wenigstens einen Ladeluftkühlers ist bezüglich des Ladeluftstroms stromabwärts einer Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.
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Die
DE 10 2008 014 168 A1 offenbart ein Ladefluidansaugmodul für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, welches einen Strömungsweg für ein gasförmiges Ladefluid, insbesondere eine Luft, ein Gas und/oder ein Luft-Gasgemisch, ausbildet. Im Gehäuse ist dabei ein Wärmetauscher für das gasförmige Ladefluid angeordnet. Das Gehäuse weist einen Einlasskanal für ein Abgas auf, und der Einlasskanal mündet stromabwärts des Wärmetauschers für das gasförmige Ladefluid in den Strömungsweg.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ansaugmodul für eine Verbrennungskraftmaschine sowie eine solche Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche geringe Kosten aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ansaugmodul für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erste Aspekt der Erfindung betrifft ein Ansaugmodul für eine wenigstens einen Brennraum aufweisende Verbrennungskraftmaschine, mit einem von von der Verbrennungskraftmaschine angesaugter Luft durchströmbaren Gehäuse, über welches die Luft in den Brennraum führbar ist. Ferner umfasst das Ansaugmodul zumindest eine, zumindest bereichsweise in dem Gehäuse des Ansaugmoduls angeordnete Kühleinrichtung, mittels welcher die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft kühlbar ist.
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Erfindungsgemäß ist mittels der Kühleinrichtung auch der Luft zugeführtes Abgas der Verbrennungskraftmaschine kühlbar, wobei das Abgas beispielsweise mittels einer Abgasrückführeinrichtung der Verbrennungskraftmaschine von einer Abgasseite derselbigen auf eine Luftseite der Verbrennungskraftmaschine rückführbar ist. Die zumindest bereichsweise in das Gehäuse des Ansaugmoduls integrierte Kühleinrichtung dient also dazu, die mit Abgas beaufschlagte Luft zu kühlen, so dass die dem Brennraum zuzuführende Luft sowie das rückgeführte Abgas gekühlt wird. Das Ansaugmodul beziehungsweise die in das Gehäuse zumindest bereichsweise integrierte Kühleinrichtung stellt somit ein kombiniertes Kühlsystem dar. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansaugmodulen und Verbrennungskraftmaschinen ist es somit zur Kühlung des Abgases und der Luft nicht nötig, ein Kühlsystem zur Kühlung der von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft sowie ein zusätzliches Kühlsystem zur Kühlung des rückgeführten Abgases vorzusehen. Dies hält die Teileanzahl, das Gewicht sowie insbesondere die Kosten der Verbrennungskraftmaschine in einem geringen Rahmen. Dies liegt auch daran, dass der Montageaufwand und damit die Montagekosten für die Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden können, da die Montage der der Luft sowie des rückgeführten Abgases gemeinsamen Kühleinrichtung mit der Montage des Ansaugmoduls einhergeht.
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Des Weiteren trägt das erfindungsgemäße Ansaugmodul zur Vermeidung oder zur Lösung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, bei, was die Kosten ebenso gering hält.
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Das erfindungsgemäße Ansaugmodul ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Verbrennungskraftmaschine einen Abgasturbolader umfasst, welcher eine von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine sowie einen von der Turbine antreibbaren Verdichter aufweist, mittels welchem die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft verdichtbar ist. Durch diese Verdichtung der Luft erwärmt sich die Luft, was ungünstig für die Verdichtung der Luft und damit für die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine ist. Um die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine sehr effizient zu gestalten, ist diese verdichtete sowie mit Abgas beaufschlagte Luft in ihrem Temperaturniveau durch die zumindest bereichsweise als Gehäuse integrierte Kühleinrichtung absenkbar.
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Im Zuge des Kraftstoffverbrauchs – und damit der CO2-Optimierung von Verbrennungskraftmaschinen gewinnt eine solche, aufgeladene und ein relativ geringes Hubvolumen aufweisende Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Hubkolbenmaschine, immer mehr an Bedeutung. Für eine solche, aufgeladene Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise in Form eines Otto- oder Dieselmotors, spielt aufgrund der zeitlich begrenzten Ansaugphase der Dichterückgewinn durch Kühlung der Luft, die aufgrund ihrer Verdichtung auch als Ladeluft bezeichnet wird, eine sehr wichtige Rolle zur Erreichung von hohen spezifischen Leistungs- und Drehmomentwerten. Zusätzlich ist für den Ottomotor wegen der Klopfempfindlichkeit der im Brennraum stattfindenden Verbrennung die Kühlung der Ladeluft wichtig, zur Darstellung eines hohen Verdichtungsverhältnisses und damit eines sehr hohen Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine.
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Neben diesem so genannten Downsizing-Effekt (geringes Hubvolumen, hoher Aufladegrad) bietet insbesondere bei einem homogenen Brennverfahren eine so genannte äußere Abgasrückführung, bei welcher also das Abgas der Verbrennungskraftmaschine außerhalb derselbigen auf die Luftseite zurückgeführt wird, zusätzliches Potential zur Enddrosselung der Verbrennungskraftmaschine. Bei einem geschichteten Brennverfahren ist die äußere Abgasrückführung aufgrund relativ hoher Rohemissionen vorteilhaft, um letztendlich die schädlichen Emissionen der Verbrennungskraftmaschine gering zu halten. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Massenstrom des heißen, rückzuführenden Abgases zu kühlen.
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Das erfindungsgemäße Ansaugmodul, welches auch als Ladeluftverteiler bezeichnet wird, erlaubt es nun, sowohl die verdichtete Luft als auch das rückgeführte Abgas zu kühlen und damit die damit einher gehenden Vorteile zu realisieren.
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Zur besonders effizienten Kühlung der mit Abgas beaufschlagten Luft umfasst die Kühleinrichtung in einer vorteilhaften Ausführungsform wenigstens ein von der Luft um- und/oder durchströmbares Kühlerelement, insbesondere eine Kühlerplatte, eine Kühlermatrix oder dergleichen Wärmetauscher, welches mittels Wasser oder mittels eines von Wasser unterschiedlichen, flüssigen Kältemittels kühlbar ist.
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Eine besonders hohe Kühlleistung der Kühleinrichtung lässt sich dadurch realisieren, wenn die Kühleinrichtung wenigstens ein weiteres, insbesondere von der mit Abgas beaufschlagten Luft um- oder durchströmbares Kühlerelement, insbesondere eine Kühlerplatte, eine Kühlermatrix oder dergleichen Wärmetauscher, umfasst, welches mittels Wasser oder einem von Wasser unterschiedlichen, flüssigen Kältemittel kühlbar ist.
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Wie bereits angedeutet, kann vorgesehen sein, dass mittels der Kühleinrichtung die Luft und das rückzuführende Abgas separat voneinander und/oder die mit dem rückgeführten Abgas beaufschlagte Luft kühlbar sind beziehungsweise ist. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Anordnung einer Einleitstelle des rückzuführenden Abgases in dem Gehäuse des Ansaugmoduls dargestellt werden, über welche die Luft mit dem rückzuführenden Abgas beaufschlagbar ist. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft die Kühleinrichtung beziehungsweise das Kühlerelement über eine Einströmstelle anströmt, und die Einleitstelle zur Beaufschlagung der Luft mit dem Abgas in Strömungsrichtung der Luft stromab der Einströmstelle aber stromauf einer Ausströmstelle angeordnet ist, wobei die dann mit dem Abgas beaufschlagte Luft die Kühleinrichtung beziehungsweise das Kühlerelement über diese Ausströmstelle abströmt. Mit anderen Worten wird so die Kühleinrichtung beziehungsweise das Kühlerelement in Strömungsrichtung der Luft zunächst lediglich von Luft um- beziehungsweise durchströmt und lediglich bereichsweise von der mit Abgas beaufschlagten Luft um- beziehungsweise durchströmt.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass die besagte Einleitstelle stromauf der Einströmstelle angeordnet ist, so dass die Luft mit dem Abgas beaufschlagt wird, bevor sie über die Einströmstelle die Kühleinrichtung beziehungsweise das Kühlerelement anströmt. Somit wird die Kühleinrichtung beziehungsweise das Kühlerelement von Beginn an, das heißt schon ab der Einströmstelle bis zur Ausströmstelle von der mit dem Abgas beaufschlagten Luft, das heißt also von der Luft und dem Abgas, um- beziehungsweise durchströmt zur Kühlung dieser.
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In jeglicher Ausführungsform wird damit sowohl die von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft als auch das rückgeführte Abgas mittels der gemeinsamen Kühleinrichtung gekühlt, was einen sehr geringen Aufwand zur Kühlung des Abgases und der Luft darstellt und wodurch die Kosten der Verbrennungskraftmaschine in einem geringen Rahmen gehalten werden können.
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Ein Vorteil der gemeinsamen Kühlung der bereits mit Abgas beaufschlagten Luft durch die Kühleinrichtung ist, das durch die Durch- beziehungsweise Umströmung der mit Abgas beaufschlagten Luft durch beziehungsweise um die Kühleinrichtung herum das Abgas in der Luft besonders gut und homogen verteilt wird, was der anschließenden Verbrennung in den Brennraum insbesondere hinsichtlich geringer Emissionen zugute kommt.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, mit zumindest einer Abgasrückführeinrichtung, mittels welcher Abgas von einer Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine auf eine Luftseite dieser rückführbar und von der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Luft mit dem rückgeführten Abgas beaufschlagbar ist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ein erfindungsgemäßes Ansaugmodul, über welches die Luft zumindest in einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ansaugmoduls sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine und umgekehrt anzusehen. Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine weist sehr geringe Kosten auf, da lediglich eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Luft sowie das rückzuführende beziehungsweise rückgeführte Abgas kühlbar sind.
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Zur Realisierung eines besonders niedrigen Temperaturniveaus insbesondere des Abgases beziehungsweise eines Gemisches aus der von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft und dem rückgeführten Abgas ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abgasrückführung eine in Strömungsrichtung des rückzuführenden Abgases stromauf des Ansaugmoduls angeordnete, weitere Kühleinrichtung umfasst, mittels welchen eine Vorkühlung des rückgeführten Abgases durchführbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in der Figur eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit vier Zylindern und mit einem Ladeluftverteiler, mittels welchem den Zylindern verdichtete Luft sowie rückgeführtes Abgas zuführbar ist, wobei in ein Gehäuse des Ladeluftverteilers eine Kühleinrichtung integriert ist, mittels welcher die Luft sowie das rückgeführte Abgas kühlbar sind.
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Die Figur zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, beispielsweise in Form eines Ottomotors oder eines Dieselmotors, welche vier Zylinder 12 aufweist. In einem verbrennungsmotorischen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 finden in den Zylindern 12 Verbrennungsvorgänge eines Luft-Kraftstoff-Gemisches statt, wodurch Abgas gebildet wird. Dieses Abgas wird über jeweilige Auslasskanäle aus den Zylindern 12 abgeführt und über einen Abgaskrümmer 14 zu einer Turbine 16 eines Abgasturboladers 18 geführt. In einem Gehäuse der Turbine 16 ist ein Turbinenrad drehbar angeordnet, welches von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 anströmbar und antreibbar ist. Nach dem Antreiben des Turbinenrads strömt das Abgas gemäß einem Richtungspfeil 20 durch eine entsprechende Abgasverrohrung und beispielsweise zu einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, mittels welcher das Abgas gereinigt wird, bevor es an die Umwelt ausströmt.
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Das Turbinenrad ist drehfest mit einer Welle 22 verbunden, welche wiederum drehfest mit einem Verdichterrad eines Verdichters 24 des Abgasturboladers 18 verbunden ist. Mittels des Verdichterrads beziehungsweise des Verdichters 24 ist eine von der Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einem Richtungspfeil 26 angesaugte Luft verdichtbar. Durch diese Verdichtung der Luft sind besonders hohe Drehmomente und Leistungen der Verbrennungskraftmaschine 10 realisierbar, wobei gleichzeitig das Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine 10 und damit ihre Dimensionen sowie ihr Gewicht gering gehalten werden können.
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Die vom Verdichter 24 verdichtete Luft wird auf einer Luftseite 28 der Verbrennungskraftmaschine 10 über entsprechende Verrohrungen 30 zu einem Ladeluftverteiler 32 der Verbrennungskraftmaschine 10 geleitet, welcher die verdichtete Luft, welche auch als Ladeluft bezeichnet wird, auf die Zylinder 12 verteilt und diesen zuführt.
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Auf der Luftseite 28 ist eine Drosselklappe 34 angeordnet, mittels welcher ein Massenstrom der den Zylindern 12 zuzuführenden Luft einstellbar ist.
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Um schädliche Emissionen, insbesondere Partikel- und Stickoxid-Emissionen, der Verbrennungskraftmaschine 10 gering zu halten, umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 eine Abgasrückführeinrichtung 36, mittels welcher das Abgas der Zylinder 12 von einer Abgasseite 38 auf die Luftseite 28 rückführbar ist. Dazu umfasst die Abgasrückführeinrichtung 36 eine Entnahmestelle 40, über welche das Abgas abgezweigt und mittels entsprechenden Verrohrungen 42 zu dem Ladeluftverteiler 32 geführt wird. Das rückgeführte Abgas wird über eine Einleitstelle 45 in den Ladeluftverteiler 32 beziehungsweise in ein Gehäuse desselbigen Eingeleitet, wodurch die angesaugte Luft mit dem Abgas beaufschlagt, das heißt vermischt, wird.
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Zur Anpassung einer gewünschten Menge und damit eines gewünschten Massenstroms des rückzuführenden Abgases umfasst die Abgasrückführeinrichtung 36 ein Abgasrückführventil 44, mittels welchem der Massenstrom und damit die Masse des rückzuführenden Abgases einstellbar ist. Das Abgasrückführventil 44 ist, wie der Figur zu entnehmen ist, auf der Abgasseite 38 in einer der Verrohrungen angeordnet und dementsprechend temperaturfest ausgebildet, um die Menge des heißen, rückzuführenden Abgases bedarfsgerecht einstellen zu können.
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Optional kann die Abgasrückführeinrichtung 36 einen Abgasrückführvorkühlter 46 umfassen, mittels welchem eine Vorkühlung des rückzuführenden beziehungsweise rückgeführten Abgases durchführbar ist, so dass es in seinem Temperaturniveau absenkbar ist.
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In den Ladeluftverteiler 32 beziehungsweise in dessen Gehäuse ist eine Kühleinrichtung 48 integriert, mittels welcher die mit Abgas beaufschlagte Luft und somit sowohl die angesaugte Luft als auch das rückgeführte Abgas kühlbar ist.
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Dazu umfasst die Kühleinrichtung 48 eine erste Kühlerplatte 50, welche von der mit Abgas beaufschlagten Luft durch- beziehungsweise umströmbar ist und welche mittels Kühlwasser kühlbar ist. Dieses Kühlwasser ist der Kühlerplatte 50 über ein Regelventil 52 zuführbar. Mittels des Regelventils 52 ist der Massenstrom des Kühlwassers der Kühlplatte 50 einstellbar, so dass entsprechend der Temperatur und dem Massenstrom der mit Abgas beaufschlagten Luft (Ladeluft) die Kühlleistung der Kühleinrichtung 48 einstellbar ist.
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Ferner umfasst die Kühleinrichtung 48 eine weitere Kühlplatte 54, welche mittels eines Kältemittels, insbesondere eines Kältemittels auf Wasserbasis, welches mit Additiven versehen ist, kühlbar ist. Auch das Kältemittel der Kühlplatte 54 ist dieser über ein weiteres Regelventil 56 zuführbar, mittels welchem der Massenstrom des Kältemittels entsprechend der Temperatur und dem Massenstrom der mit Abgas beaufschlagten Luft einstellbar ist.
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Die Einstellung der Kühlleistung der Kühleinrichtung 48 mittels der Regelventile 52 und 56 ist dabei auch insofern vorteilhaft, als dadurch eine Kondensatbildung vermieden werden kann.
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Die entsprechende Führung der Verrohrungen 30 und 42 sowie die Anordnung der Kühleinrichtung 48 beziehungsweise der Kühlplatten 50 und 54 bezüglich des Ladeluftverteilers 32 ist dabei hinsichtlich des Ansprechverhaltens der Verbrennungskraftmaschine 10 aber auch hinsichtlich der Einleitung des Abgases optimiert, so dass das Abgas in der Luft besonders gleichmäßig verteilt wird und so ein möglichst homogenes Abgas-Luft-Gemisch entsteht. Diese homogene Verteilung des Abgases in der Luft wird weiterhin durch die Durch- beziehungsweise Umströmung der Kühleinrichtung 48 von der mit Abgas beaufschlagten Luft begünstigt. Somit kann in jeden der Zylinder 12 Luft einströmen, welche in gleicher oder annähernd gleicher Weise gleichmäßig und mit der gleichen oder annähernd gleichen Menge an Abgas beaufschlagt ist, was den geringen, schädlichen Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie der Darstellung eines hohen Drehmoments sowie einer hohen Leistung bei gleichzeitig geringem Kraftstoffverbrauch und damit geringen CO2-Emissionen zugute kommt. Darüber hinaus weist die Verbrennungskraftmaschine 10 sehr geringe Kosten auf, da sowohl die angesaugte Luft als auch das rückgeführte Abgas mittels der gemeinsamen Kühleinrichtung 48 zu kühlen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007051505 A1 [0002]
- DE 102007045347 A1 [0003]
- DE 102008014168 A1 [0004]
