DE102011056617A1

DE102011056617A1 - Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102011056617A1
Application number: DE102011056617A
Authority: DE
Inventors: Heiko Jacobi-Hinderer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Ladeluftkühler zur Kühlung von in einem Verdichter mindestens eines Abgasturboladers verdichteter und einer Brennkraftmaschine zuzuführender Ladeluft, mit einer einlassseitigen Zuluftkammer (22) zur Zuführung von zu kühlender Ladeluft und einer auslassseitigen Abluftkammer (24) zur Abführung von gekühlter Ladeluft, wobei an die einlassseitige Zuluftkammer (22) eine einlassseitige Zuluftleitung (23) und an die auslassseitige Abluftkammer (24) eine auslassseitige Abluftleitung (25) anschließbar ist, mit mindestens einer sich zwischen einer Einlassseite (20) und einer Auslassseite (21) des Ladeluftkühlers erstreckenden Bypassleitung (26), die derart dimensioniert ist, dass sich einlassseitig sammelndes Kondensat in Folge eines Druckgefälles zwischen der Einlassseite (20) und der Auslassseite (21) in Richtung auf die Auslassseite (21) leitbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Ladeluftkühler.
Als wirksame Maßnahme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sowie von CO2-Emissionen von Kraftfahrzeugen hat sich die Hubraumreduzierung in Verbindung mit der Aufladung der Brennkraftmaschine herausgestellt, das sogenannte Downsizing. Im Zusammenwirken mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung können hierbei erhebliche Potentiale für die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen generiert werden. Erreicht wird dies insbesondere durch eine verminderte innere Reibung, durch eine Verschiebung des Betriebspunkts der Brennkraftmaschine in höhere Lastbereiche und nicht zuletzt durch eine Reduzierung des Gewichts der Brennkraftmaschine durch kleinere Hubräume und/oder eine reduzierte Zylinderanzahl. Für eine möglichst effektive Aufladung einer Brennkraftmaschine gehört die sogenannte Ladeluftkühlung zum Stand der Technik.
Im Bereich des Ladeluftkühlers einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann sich während des Betriebs Kondensat ausbilden, welches sich in einem Bereich des Ladeluftkühlers ansammeln kann, der gegenüber anderen Bereichen relativ tief liegt. Insbesondere bei geringen Außentemperaturen kann dieses Kondensat gefrieren, wodurch dann die Funktionalität der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird. So kann gefrorenes Kondensat im Bereich eines Ladeluftkühlers die Durchströmung desselben verhindern.
Aus der DE 10 2008 015 591 A1 ist es bekannt, Ladeluft an einem Ladeluftkühler vorbei zu führen, nämlich über eine Bypassleitung, wobei nach diesem Stand der Technik in die Bypassleitung eine Klappe integriert ist, welche die Strömung der Ladeluft über die Bypassleitung in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Prozessparametern beeinflusst.
Hierdurch kann die Bildung von Kondensat im Ladeluftkühler vermieden werden. Diese Ausgestaltung eines Ladeluftkühlers ist jedoch aufwendig.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen neuartigen Ladeluftkühler sowie eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einer neuartigen Ladeluftkühlung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Ladeluftkühler gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler umfasst mindestens eine sich zwischen einer Einlassseite des Ladeluftkühlers und einer Auslassseite des Ladeluftkühlers erstreckende Bypassleitung, die derart dimensioniert ist, dass sich einlassseitig sammelndes Kondensat in Folge eines Druckgefälles zwischen der Einlassseite und der Auslassseite in Richtung auf die Auslassseite leitbar ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Ladeluftkühlers mindestens eine Bypassleitung vorzusehen und diese Bypassleitung derart zu dimensionieren, dass in Folge des Druckgefälles zwischen der Einlassseite des Ladeluftkühlers und der Auslassseite desselben sich einlassseitig sammelndes Kondensat in Richtung auf die Auslassseite abführbar ist.
Das Abführen von Kondensat über die oder jede Bypassleitung erfolgt ausschließlich über die Druckdifferenz zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Ladeluftkühlers. Es sind keine Klappen oder Aktuatoren erforderlich, um den Durchfluss durch die Bypassleitung zu steuern bzw. zu regeln. Vielmehr ist die oder jede Bypassleitung dauerhaft durchströmt. Ferner verzichtet die Erfindung auf aktive Absaugmaßnahmen für Kondensat. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler ist demnach konstruktiv einfach.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die oder jede Bypassleitung derart dimensioniert, dass ein Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Bypassleitung und dem Innendurchmesser des einlassseitigen Elements, an welches die jeweilige Bypassleitung angreift, und/oder ein Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Bypassleitung und dem Innendurchmesser des auslassseitigen Elements, an welches die jeweilige Bypassleitung angreift, kleiner als 0,4 ist. Diese Dimensionierung der oder jeder Bypassleitung erlaubt einerseits eine effektive Abführung von Kondensat und andererseits die Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrads der Ladeluftkühlung und damit der Aufladung der Brennkraftmaschine.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist in den Patentanspruch 10 definiert. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Schema einer aufgeladenen Brennkraftmaschine; und
2 eine Vorderansicht einer aufgeladenen Brennkraftmaschine.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler sowie eine aufgeladenen Brennkraftmaschine mit mindestens einem Ladeluftkühler.
1 zeigt ein Schema einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 10, wobei die Brennkraftmaschine 10 in 1 zwei Zylinderbänke bzw. Zylindergruppen 11 mit jeweils drei Zylindern 12 umfasst. Jeder Zylindergruppe 11 ist jeweils ein Abgasturbolader 13 zugeordnet, wobei jeder Abgasturbolader 13 jeweils eine Turbine 14 und jeweils einen Verdichter 15 umfasst. Aus den Zylindern 12 der Zylindergruppen 11 abströmendes Abgas wird in den Turbinen 14 der Abgasturbolader 13 entspannt, wobei hier gewonnene Energie zum Antrieb des jeweiligen Verdichters 15 des jeweiligen Abgasturboladers 13 verwendet wird, um Ladeluft, die über einen Luftfilter 16 geführt wird, in den Verdichtern 15 der Abgasturbolader 13 zu verdichten und als verdichtete Ladeluft über Ladeluftkühler 17 zu leiten, um so die in den Verdichtern 15 verdichtete Ladeluft in den Ladeluftkühlern 17 abzukühlen.
In 1 ist jedem Abgasturbolader 13 der aufgeladenen Brennkraftmaschine 10 ein separater Ladeluftkühler 17 zugeordnet, wobei die Ladeluft, welche nach der Kühlung die Ladeluftkühler 17 verlässt, über eine gemeinsame Drosselklappe 18 und einen gemeinsamen Sammler 19 bzw. ein gemeinsames Saugrohr den Zylindern 12 der Zylindergruppen 11 zugeführt wird. In 1 werden demnach die Ladeluftströme stromabwärts der Ladeluftkühler 17 und stromaufwärts der Drosselklappe 18 zusammengeführt.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es ebenfalls bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, für jede Zylinderbank 11 einen separaten Sammler bereitzuhalten, wobei dann die die Ladeluftkühler 17 verlassende, gekühlte Ladeluft über separate Drosselklappen den jeweiligen Sammlern zugeführt wird.
Ferner sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch bei solchen aufgeladenen Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommen kann, die über ausschließlich eine Zylinderbank und ausschließlich einen Abgasturbolader und demnach ausschließlich einen Ladeluftkühler verfügen, sowie bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Zylinderbänken und mehr als zwei Abgasturboladern und damit Ladeluftkühlern.
Jeder der Ladeluftkühler 17 verfügt über eine Einlassseite 20 und eine Auslassseite 21, wobei im Bereich der Einlassseite 20 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 eine Zuluftkammer 22 (siehe 2) zur Zuführung von zu kühlender Ladeluft in Richtung auf den Ladeluftkühler 17 ausgebildet ist, an der eine einlassseitige Zuluftleitung 23 angreift.
Im Bereich der jeweiligen Auslassseite 21 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 ist eine auslassseitige Abluftkammer 24 (siehe 2) zur Abführung von gekühlter Ladeluft in Richtung auf die Brennkraftmaschine 10 bzw. den oder jeden Sammler 19 ausgebildet, wobei an der Abluftkammer 24 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 die auslassseitige Abluftleitung 25 angreift, über die gekühlte Ladeluft letztendlich vom jeweiligen Ladeluftkühler 17 in Richtung auf den Sammler 19 führbar ist.
Im Sinne der Erfindung ist zwischen die Einlassseite 20 eines Ladeluftkühlers 17 und die Auslassseite 21 desselben eine Bypassleitung 26 geschaltet, die sich zwischen der Einlassseite 20 und der Auslassseite 21 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 erstreckt und die derart dimensioniert ist, dass Kondensat, welches sich einlassseitig am Ladeluftkühler 17 sammelt, in Folge eines Druckgefälles zwischen der Einlassseite 20 des Ladeluftkühlers 17 und der Auslassseite 21 desselben in Richtung auf die Auslassseite 21 des Ladeluftkühlers 17 leitbar bzw. förderbar ist.
Im Ausführungsbeispiel der 2 erstreckt sich die Bypassleitung 26 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 zwischen der einlassseitigen Zuluftleitung 23 und der auslassseitigen Abluftleitung 25.
Im Unterschied hierzu ist es jedoch auch möglich, dass sich die jeweilige Bypassleitung zwischen der einlassseitigen Zuluftkammer und der auslassseitigen Ablaufkammer oder zwischen der einlassseitigen Zuluftkammer und der auslassseitigen Abluftleitung oder zwischen der einlassseitigen Zuluftleitung und der auslassseitigen Abluftkammer erstreckt.
Alleine aufgrund des sich im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ausbildenden Druckverhältnisses bzw. des Druckgefälles zwischen der Einlassseite 20 und der Auslassseite 21 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 ist sich einlassseitiges Kondensat in Richtung auf die Auslassseite 21 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 ableitbar. Die jeweilige Bypassleitung 26 ist dauerhaft geöffnet.
Vorzugsweise ist die oder jede Bypassleitung 26 derart dimensioniert, dass ein Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser d26 der Bypassleitung 26 und dem Innendurchmesser des einlassseitigen Elements, in 4 dem Innendurchmesser d23 der Zuluftleitung 23, in dem Bereich, an welchem die Bypassleitung 26 an demselben angreift, kleiner als 0,4 ist. Vorzugsweise beträgt dieses Verhältnis d26/d23 zwischen dem Innendurchmesser d26 der Bypassleitung 26 und dem Innendurchmesser d23 der Zuluftleitung 23 in dem Bereich, in welchem die Bypassleitung 26 an derselben angreift, zwischen 0,06 und 0,34.
Ferner ist die jeweilige Bypassleitung 26 derart dimensioniert, dass ein Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser d26 der Bypassleitung 26 und dem Innendurchmesser des auslassseitigen Elements, in 2 dem Innendurchmesser d25 der Abluftleitung 25, in dem Bereich, an welchem die Bypassleitung 26 an demselben angreift, kleiner als 0,4 ist. Vorzugsweise beträgt dieses Verhältnis d26/d25 zwischen dem Innendurchmesser d26 der Bypassleitung 26 und dem Innendurchmesser d25 der Abluftleitung 25 in dem Bereich, in welchem die Bypassleitung 26 an derselben angreift, zwischen 0,06 und 0,34.
Die obigen Verhältnisse beziehen sich jeweils auf den Innendurchmesser d26 der Bypassleitung 26 und den Innendurchmesser desjenigen einlassseitigen Elements bzw. auslassseitigen Elements, an welchem die Bypassleitung 26 angreift, und zwar desjenigen Abschnitts oder Bereichs des jeweiligen einlassseitigen Elements bzw. auslassseitigen Elements, an welchem die Bypassleitung 26 am jeweiligen einlassseitigen Element bzw. auslassseitigen Element angreift. Dabei kann es sich beim einlassseitigen Element um die Zuluftleitung oder Zuluftkammer sowie auslassseitigen Element um die Abluftleitung oder Abluftkammer handeln.
Der Innendruchmesser der Bypassleitung 26 ist vorzugsweise über deren gesamte Länge konstant. Es kann jedoch auch sein, dass sich der Innendruchmesser der Bypassleitung 26 über deren Länge verändert. In diesem Fall handelt es sich bei verhältnisrelevanten Innendurchmesser d26 der Bypassleitung 26 um den kleinsten Innendurchmesser derselben.
In 2 sind die Zuluftkammern 22 und damit die Einlassseiten 20 der Ladeluftkühler 17 an einem unteren Bereich bzw. Abschnitt derselben und die die Abluftkammern 24 und damit die Auslassseiten 21 der Ladeluftkühler 17 an einem oberen Bereich bzw. Abschnitt derselben ausgebildet.
Die oder jede Bypassleitung 26 ist permanent offen. Der oder jeder Bypassleitung 26 ist kein Absperrelement zugeordnet. Die oder jede Bypassleitung 26 ist demnach im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 permanent von Ladeluft durchströmt. Sich einlassseitig ansammelndes Kondensat wird aufgrund des sich im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ausbildenden Druckgefälles zwischen der Einlassseite 20 und der Auslassseite 21 in Richtung auf die Auslassseite 21 des jeweiligen Ladeluftkühlers 17 abgeleitet. Die Dimensionierung der oder jeder Bypassleitung 26 erlaubt einerseits eine effektive Abführung von Kondensat und andererseits die Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrads der Ladeluftkühlung und damit der Aufladung der Brennkraftmaschine 10.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Bypassleitung 26 in demjenigen Bereich, in welchem die jeweilige Bypassleitung 26 in das jeweilige auslassseitige Element mündet bzw. in welchem die Bypassleitung 26 am jeweiligen auslassseitigen Element angreift, beheizt, um in diesem Bereich ein Zufrieren der Bypassleitung bei geringen Außentemperaturen von insbesondere weniger als –15°C zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
11: Zylinderbank / Zylindergruppe
12: Zylinder
13: Abgasturbolader
14: Turbine
15: Verdichter
16: Luftfilter
17: Ladeluftkühler
18: Drosselklappe
19: Sammler
20: Einlassseite
21: Auslassseite
22: Zuluftkammer
23: Zuluftleitung
24: Abluftkammer
25: Abluftleitung
26: Bypassleitung

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

DE 102008015591 A1 [0004]

Claims

Ladeluftkühler zur Kühlung von in einem Verdichter mindestens eines Abgasturboladers verdichteter und einer Brennkraftmaschine zuzuführender Ladeluft, mit einer einlassseitigen Zuluftkammer (22) zur Zuführung von zu kühlender Ladeluft und einer auslassseitigen Abluftkammer (24) zur Abführung von gekühlter Ladeluft, wobei an die einlassseitige Zuluftkammer (22) eine einlassseitige Zuluftleitung (23) und an die auslassseitige Abluftkammer (24) eine auslassseitige Abluftleitung (25) anschließbar ist, gekennzeichnet durch mindestens eine sich zwischen einer Einlassseite (20) und einer Auslassseite (21) des Ladeluftkühlers erstreckende Bypassleitung (26), die derart dimensioniert ist, dass sich einlassseitig sammelndes Kondensat in Folge eines Druckgefälles zwischen der Einlassseite (20) und der Auslassseite (21) in Richtung auf die Auslassseite (21) leitbar ist.
Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die oder jede Bypassleitung (26) zwischen der Zuluftkammer (22) und der Abluftkammer (24) erstreckt.
Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die oder jede Bypassleitung (26) zwischen der Zuluftleitung (23) und der Abluftleitung (25) erstreckt.
Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die oder jede Bypassleitung (26) zwischen der Zuluftkammer (22) und der Abluftleitung (25) erstreckt.
Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die oder jede Bypassleitung (26) zwischen der Zuluftleitung (23) und der Abluftkammer (24) erstreckt.
Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Bypassleitung (26) derart dimensioniert ist, dass ein Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Bypassleitung und dem Innendurchmesser des einlassseitigen Elements, an welchem die jeweilige Bypassleitung angreift, kleiner als 0,4 ist.
Ladeluftkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Bypassleitung und dem Innendurchmesser des einlassseitigen Elements, an welchem die jeweilige Bypassleitung angreift, zwischen 0,06 und 0,34 beträgt.
Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Bypassleitung (26) derart dimensioniert ist, dass ein Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Bypassleitung und dem Innendurchmesser des auslassseitigen Elements, an welchem die jeweilige Bypassleitung angreift, kleiner als 0,4 ist.
Ladeluftkühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser der Bypassleitung und dem Innendurchmesser des auslassseitigen Elements, an welchem die jeweilige Bypassleitung angreift, zwischen 0,06 und 0,34 beträgt.
Brennkraftmaschine, mit mindestens einer Zylinderbank (11) bzw. mindestens einer Zylindergruppe mit jeweils mehreren Zylindern (12), wobei der oder jeder Zylindergruppe (11) jeweils ein Abgasturbolader (13) zugeordnet ist, und wobei in dem oder jedem der Abgasturbolader verdichtete Ladeluft über einen Ladeluftkühler (17) leitbar ist, um die verdichtete Ladeluft vor Zuführung derselben in die Zylinder (12) der jeweiligen Zylindergruppe (11) zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Ladeluftkühler (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.