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Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler mit einem Luftkühler in einem ersten Luftpfad und mit einem Bypass in einem zweiten Luftpfad, der parallel zum ersten Luftpfad geschaltet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Ventil für einen derartigen Ladeluftkühler sowie eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine mit einem derartigen Ladeluftkühler und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Verbrennungskraftmaschine.
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Ein Ladeluftkühler ist ein Wärmeüberträger, der im Ansaugtrakt einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine die Temperatur der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft verringert. Der Ladeluftkühler wird im Ansaugtrakt zwischen dem Verdichter (Verdichterrad eines Turboladers oder Kompressors) und dem Einlassventil eingebaut und führt einen Teil der Wärme ab, die durch die Verdichtung der Luft im Turbolader oder Kompressor entsteht. Hierdurch werden die Leistung und der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöht, denn durch die Verringerung der Temperatur der zugeführten Luft ist im gleichen Volumen eine größere Luftmasse enthalten. So kann proportional mehr Kraftstoff verbrannt werden. Der Ladeluftkühler erhöht somit die mögliche Abgabeleistung.
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Ein Ladeluftkühler mit einem Bypass und einem Bypassventil zum Leiten von Luft durch den Bypass ist aus der
US 7,007,680 B2 bekannt.
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Eine Ladeluftkühlung mit einem Ladeluftkühler erlaubt im Rahmen des Downsizing von Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, wie z. B. turboaufgeladenen Ottomotoren, einen Betrieb mit mehr Leistung und geringerem Verbrauch.
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Jedoch kann bei einem Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei geringer Umgebungstemperatur und hoher Luftfeuchtigkeit sich aufgrund einer Überkühlung Kondenswasser in dem Luftladekühler ansammeln. Das angesammelte Kondenswasser kann einen Aussetzer der Verbrennungskraftmaschine verursachen, wenn es in Folge einer nachfolgenden, erhöhten Leistungsanforderung in die Verbrennungskraftmaschine eingesaugt wird.
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Es besteht daher Bedarf daran, die Betriebszuverlässigkeit von aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen bei Teillastbetrieb und geringer Umgebungstemperatur sowie hoher Luftfeuchtigkeit zu verbessern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Ladeluftkühler mit einem Luftkühler in einem ersten Luftpfad und mit einem Bypass in einem zweiten Luftpfad, der parallel zum ersten Luftpfad geschaltet ist. Dabei ist dem Bypass eine thermische Isolierung zugeordnet, die den Bypass thermisch von dem Luftkühler isoliert. Durch die thermische Isolierung wird sichergestellt, dass bei einem Teillastbetrieb, bei dem ein Luftstrom durch den Bypass entlang des zweiten Luftpfades geleitet wird, es nicht zu einer Überkühlung durch einen Wärmeenergieabzug von dem Bypass durch den Luftkühler kommt. Die in diesem Betriebszustand geringere Luftdichte im Vergleich zu Betriebszuständen mit gekühlter Luft mit höherer Dichte kann durch eine größere Öffnung einer Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine kompensiert werden. Somit wird ohne Leistungseinbußen die Betriebszuverlässigkeit von aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen bei Teillastbetrieb und geringer Umgebungstemperatur sowie hoher Luftfeuchtigkeit erhöht.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Luftkühler einen doppelwandigen Grundkörper mit einer Außenwand und mit einer Innenwand auf, wobei die thermische Isolierung an der Innenwand angeordnet ist. Hierdurch weist der Luftkühler einen besonders einfachen sowie kompakten Aufbau auf und kann besonders preisgünstig gefertigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die thermische Isolierung ein Vakuumelement auf. Hierdurch wird eine besonders gute thermische Isolierung bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die thermische Isolierung eine Schaumfüllung auf. Hierdurch wird eine besonders stabile und einfach zu fertigende thermische Isolierung bereitgestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Ventil vorgesehen, das ein Verschlussteil aufweist, das zum Steuern eines Luftstromes durch den ersten Luftpfad und/oder durch den zweiten Luftpfad zwischen zwei Endpositionen verlagerbar ausgebildet ist. Somit kann durch Ansteuern des Verschlussteiles der Luftstrom in den ersten oder zweiten oder zugleich in den ersten und zweiten Luftpfad gelenkt werden. Alternativ können auch zwei Ventile vorgesehen sein, die wechselweise geöffnet und geschlossen werden, um den Luftstrom in den ersten und/oder zweiten Luftpfad zu lenken.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform steht das Verschlussteil mit einem Aktuator zum Verlagern zwischen den zwei Endlagen in Wirkverbindung. Bei dem Aktuator kann es sich um einen Elektromotor, einen Elektromagneten oder auch um einen Pneumatikzylinder handeln. Somit ist ein einfaches und schnelles Verlagern des Verschlussteils zwischen den beiden Endlagen bei einem Wechsel von einem Teillast- zu einem Volllastbetrieb und umgekehrt möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verschlussteil um eine Schwenkachse verschwenkbar ausgebildet. Somit kann das Ventil mit dem Verschlussteil einen besonders einfachen Aufbau aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verschlussteil ausgebildet, den Luftstrom in eine Öffnungskraft zum Öffnen des ersten Luftpfads und/oder in eine Schließkraft zum Verschließen des zweiten Luftpfads umzuwandeln. Somit muss der Aktuator nicht eine erforderliche Gesamtkraft zum Öffnen des ersten Luftpfads aufbringen. Daher kann der Aktuator entsprechend kleiner und leistungsschwächer dimensioniert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verschlussteil zur Wandlung des Luftstromes ein Tragflügelprofil auf. Durch das Tragflügelprofil wird auf einer Seite des Verschlussteiles ein Unterdruck erzeugt, während auf der gegenüberliegenden Seite des Verschlussteils ein Überdruck erzeugt wird. Diese Druckdifferenz bewirkt dann z. B. eine Schwenkbewegung des Verschlussteils um die Schwenkachse.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verschlussteil ausgebildet, den Luftstrom in eine Schließkraft zum Verschließen des ersten Luftpfads und/oder in eine Öffnungskraft zum Öffnen des zweiten Luftpfads umzuwandeln. Somit muss der Aktuator nicht eine erforderliche Gesamtkraft zum Schließen des ersten Luftpfad aufbringen. Daher kann der Aktuator entsprechend kleiner und leistungsschwächer dimensioniert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Ventil eine Prallfläche zum Wandlung des Luftstromes auf. Durch die Prallfläche wird auf einer Seite des Verschlussteiles ein Überdruck erzeugt, der z. B. eine Schwenkbewegung des Verschlussteils um die Schwenkachse bewirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verschlussteil derart ausgebildet, dass die Öffnungskraft im Wesentlichen gleich der Schließkraft ist. Somit befindet sich das Verschlussteil im Wesentlichen in einem Kräftegleichgewicht. Dabei wird unter im Wesentlichen gleich groß verstanden, dass die Öffnungskraft und die Schließkraft um fertigungsbedingte Toleranzen voneinander abweichen, z. B. um 3% bis 10%. Somit muss der Aktuator nicht eine erforderliche Gegenkraft gegen die durch die Luftströmung versachten Kräfte aufbringen. Daher kann der Aktuator entsprechend kleiner und leistungsschwächer dimensioniert werden.
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Ferner gehören zur Erfindung ein Ventil für einen derartigen Ladeluftkühler, eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein turboaufgeladener Otto- oder Dieselmotor, mit einem derartigen Luftladekühler, und ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein PKW, mit einer derartigen aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine.
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Die Figuren zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Luftladekühlers mit einem Ventil mit einem Verschlusskörper in einer ersten Endlage,
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2 den Luftladekühler der 2 mit dem Verschlusskörper in einer Zwischenlage, und
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3 den Luftladekühler der 2 mit dem Verschlusskörper in einer zweiten Endlage.
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Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen.
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Dargestellt ist ein Ladeluftkühler 2 einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine. Bei der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen turboaufgeladenen Ottomotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. eines PKWs.
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Der Luftladekühler 2 ist im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine zwischen einem Verdichterrad (nicht dargestellt) eines Turboladers (nicht dargestellt) und einem Einlassventil (nicht dargestellt) angeordnet, um einen Teil der Wärme abzuführen, die durch die Verdichtung von Luft im Turbolader entsteht.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Luftladekühler 2 einen Luftkühler 4 und einen Bypass 6 auf. Der Luftkühler 4 ist in einem ersten Luftpfad I und der Bypass 6 ist in einem zweiten Luftpfad II angeordnet. Dabei sind der erste Luftpfad I und der zweite Luftpfad II parallel geschaltet, sodass Luft durch den Bypass 6 entlang des zweiten Luftpfads II um den Luftkühler 2 herumgeleitet werden kann.
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Der Luftkühler 4 ist ein Wärmetauscher zum Abkühlen der Luft und weist hierzu z. B. eine Luftkühlung oder Wasserkühlung (beides nicht dargestellt) auf.
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Der Ladeluftkühler 2 weist einen doppelwandigen Grundkörper 10 mit einer Außenwand 12 und mit einer Innenwand 14 auf. Dabei weist der Grundkörper 10 entlang seiner sich in Strömungsrichtung der Luftströmung L erstreckenden Erstreckungsrichtung Abschnitte mit runden und rechteckigen Querschnitten auf.
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An der Innenwand 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine thermische Isolierung 14 angeordnet, die z. B. ein Vakuumelement oder eine Schaumfüllung (beides nicht dargestellt) aufweist. Die thermische Isolierung 14 ist ausgebildet, um einen Wärmetransfer bzw. -abzug von Wärmeenergie von dem Bypass 6 zu dem Luftkühler 4 und einer damit einhergehenden Abkühlung von durch den Bypass 6 entlang des zweiten Luftpfades II strömender Luft zu verhindern.
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Zur Lenkung des Luftstromes L durch den Luftkühler 4 entlang des ersten Luftpfades I und/oder durch den Bypass 6 entlang des zweiten Luftpfades II ist ein Ventil 16 vorgesehen. Das Ventil 16 weist ein Verschlussteil 18 auf, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer Schwenkachse 20 zwischen zwei Endlagen verlagerbar befestigt ist. Zum Verlagern des Verschlussteils 18 zwischen den beiden Endlagen ist ein Aktuator (nicht dargestellt) vorgesehen, wie z. B. ein Elektromotor, ein Elektromagnet oder ein Pneumatikzylinder.
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In der ersten der beiden Endlagen verschließt das Verschlussteil 18 den ersten Luftpfad I vollständig (siehe 1). Somit strömt die Luftströmung L nur durch den Bypass 6 entlang des zweiten Luftpfads II.
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Es wird nun zusätzlich auf 2 Bezug genommen.
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In einer Zwischenposition zwischen den beiden Endlagen verschließt das Verschlussteil 18 den ersten Luftpfad I und den zweiten Luftpfad II teilweise. Somit strömen zwei Teilluftströme jeweils durch den Luftkühler 4 entlang des ersten Luftpfads I und durch den Bypass 6 entlang des zweiten Luftpfads II.
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Es wird nun zusätzlich auf 3 Bezug genommen. In der zweiten der beiden Endlagen verschließt das Verschlussteil 18 den zweiten Luftpfad II vollständig. Somit strömt die Luftströmung L nur durch den Luftkühler 4 entlang des ersten Luftpfads I.
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Um den Aktuator beim Verlagern des Verschlussteiles 18 aus der ersten Endlage in die zweite Endlage zu unterstützen, also beim Öffnen des ersten Luftpfads I und beim Verschließen des zweiten Luftpfads II, weist das Verschlussteil 18 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Tragflügelprofil 22 (siehe 1) auf, das den Luftstrom L in eine Öffnungskraft Ö (siehe 2) zum Öffnen des ersten Luftpfads I und zum Schließen des zweiten Luftpfads II wandelt.
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Um ferner den Aktuator beim Verlagern des Verschlussteiles 18 aus der zweiten Endlage in die erste Endlage zu unterstützen, also beim Verschließen des ersten Luftpfads I und beim Öffnen des zweiten Luftpfads II, weist das Verschlussteil 18 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Prallfläche 24 (siehe 1) auf, die den Luftstrom L in eine Schließkraft S (siehe 2) zum Verschließen des ersten Luftpfads I und zum Öffnen des zweiten Luftpfads II wandelt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Tragflügelprofil 22 und die Prallfläche 24 derart ausgebildet, dass die vom Tragflügelprofil 22 bereitgestellte Öffnungskraft Ö und die von der Prallfläche 24 bereitgestellte Schließkraft S im Wesentlichen gleich groß sind. Somit befindet sich das Verschlussteil 18 im Wesentlichen in einem Kräftegleichgewicht. Dabei wird unter im Wesentlichen gleich groß verstanden, dass die Öffnungskraft Ö und die Schließkraft S um fertigungsbedingte Toleranzen voneinander abweichen, z. B. um 3% bis 10%.
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Es wird nun anhand der 1 bis 3 der Betrieb des Luftladekühlers 2 erläutert.
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Bei einem Teillastbetrieb, z. B. bei geringer Drehzahl des Turboladers, wird die Luft nur geringfügig verdichtet, so dass sie kaum oder nur geringfügig erwärmt ist. Somit ist eine Ladeluftkühlung mittels des Ladekühlers 4 nicht erforderlich. Daher befindet sich das Verschlussteil 18 des Ventils 16 in der in 1 dargestellten ersten Endlage, in der der erste Luftpfad I verschlossen und der zweiten Luftpfad II geöffnet ist. Die Luft strömt ausschließlich durch den Bypass 6, wobei die thermische Isolierung 8 verhindert, dass Wärmeenergie von der durch den Bypass 6 strömenden Luft abgezogen wird und damit diese abkühlt. Vielmehr behält die durch den Bypass 6 strömende Luft ihrer Eingangstemperatur bei, sodass es zu keinem Auskondensieren von Luftfeuchtigkeit im Bypass 6 kommen kann. Daher ist die Betriebssicherheit gesteigert, da auskondensierte Luftfeuchtigkeit keine Motoraussetzer verursachen kann. Dabei wird durch die Prallfläche 24 ein Überdruck erzeugt, der das Verschlussteil 16 in der in 1 dargestellten ersten Endlage fixiert. Ferner wird das Drosselventil 26 von einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine weiter geöffnet, um so einer Minderversorgung der Verbrennungskraftmaschine mit Luft aufgrund der höheren Eingangstemperatur entgegenzuwirken.
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Bei einem Wechsel von dem Teillastbetrieb zu einem Volllastbetrieb erhöht sich die Drehzahl des Turboladers. Nun wird die Luft deutlich stärker verdichtet, so dass sie nun deutlich mehr erwärmt ist. Somit ist nun eine Ladeluftkühlung mittels des Ladekühlers 4 erforderlich. Daher wird durch Aktivierung des Aktuators das Verschlussteil 18 des Ventils 16 aus der ersten Endlage über die in 2 dargestellte Zwischenlage in die in 3 dargestellte zweite Endlage verlagert.
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In der in 2 dargestellten Zwischenlage wird durch das Tragflügelprofil 22 auf einer Seite des Verschlussteiles 18 ein Unterdruck erzeugt, während durch die Prallfläche 24 auf einer der gegenüberliegenden Seite des Verschlussteils 18 ein Überdruck erzeugt wird. Der Unterdruck bewirkt die Öffnungskraft Ö und der Überdruck bewirkt die Schließkraft S, die beide im Wesentlichen gleich groß sind, sodass sich das Verschlussteil 18 in einem Gleichgewicht befindet. Somit muss der Aktuator nur eine geringe Kraft zum Verlagern des Verschlussteils 18 aus der der ersten Endlage in die zweite Endlage über die Zwischenlage und umgekehrt bereitstellen und kann entsprechend kleiner dimensioniert werden.
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In der in 3 dargestellten zweiten Endlage wird die Luft ausschließlich durch den Luftkühler 4 entlang des zweiten Luftpfads II geführt, so dass nun die gesamte Luft abgekühlt wird, bevor sie der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Dabei findet in der in 3 dargestellten zweiten Endlage keine Anströmung des Tragflügelprofils 22 und der Prallfläche 24 statt, sodass weder eine Öffnungskraft Ö noch eine Schließkraft S bereitgestellt werden. Somit ist das Verschlussteil 18 in der zweiten Endlage kräftefrei in der zweiten Endlage fixiert. Ferner wird das Drosselventil 26 von einer Motorsteuerung der Verbrennungskraftmaschine mehr geschlossen, da nun keine Minderversorgung der Verbrennungskraftmaschine mit Luft aufgrund der höheren Eingangstemperatur mehr gegeben ist, sondern nun mit gekühlter Luft mit höherer Dichte versorgt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ladeluftkühler
- 4
- Luftkühler
- 6
- Bypass
- 8
- thermische Isolierung
- 10
- Grundkörper
- 12
- Außenwand
- 14
- Innenwand
- 16
- Ventil
- 18
- Verschlussteil
- 20
- Schwenkachse
- 22
- Tragflügelprofil
- 24
- Prallfläche
- 26
- Drosselventil
- I
- erster Luftpfad
- II
- zweiter Luftpfad
- L
- Luftstrom
- S
- Schließkraft
- Ö
- Öffnungskraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008005400 A1 [0003]
- DE 102013111448 A1 [0003]
- DE 112011100755 T5 [0003]
- US 2011/011775 A1 [0003]
- US 7007680 B2 [0004]
