DE102016225083A1

DE102016225083A1 - Wärmetauscher für Brennluft

Info

Publication number: DE102016225083A1
Application number: DE102016225083.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Herzenjak; Oliver Fautz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher 18 für Brennluft, insbesondere Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine 3, wobei der Wärmetauscher 18 zur Durchströmung von Brennluft und davon getrennt von einem Kühlmittel ausgelegt ist. Erfindungsgemäß wird ein Wärmetauscher 18 für Brennluft bereitgestellt, mit dem eine verbesserte und vereinfachte Kühlung der Brennluft ermöglicht ist. Erreicht wird dies dadurch, dass das Kühlmittel ein kryogener Kraftstoff ist und dass der Wärmetauscher 18 unmittelbar zwischen einem Lader 16 eines Abgasturboladers 14 und einer Brennlufteinlassleitung 12 verbaut ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Brennluft, insbesondere Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine, wobei der Wärmetauscher zur Durchströmung von Brennluft und davon getrennt von einem Kühlmittel ausgelegt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung von Brennluft mittels eines Wärmetauschers und ein Fahrzeug mit einem solchen Wärmetauscher.
Stand der Technik
Ein derartiger Wärmetauscher für Brennluft ist aus der DE 11 2013 005 285 T5 bekannt. Dieser Wärmetauscher für Brennluft ist als Ladeluftkühler ausgebildet, der an einer Brennkraftmaschine verbaut ist. Der Wärmetauscher wird von der von einem Lader eines Abgasturboladers verdichteter Brennluft und davon getrennt von einem Kühlmittel, das insbesondere das Kühlmittel der Brennkraftmaschine ist, getrennt durchströmt. Das Kühlmittel der Brennkraftmaschine ist beispielsweise Kühlwasser, das sich bei extremen Einsatzbedingungen der Brennkraftmaschine stark erwärmen kann. Dadurch ist eine effektive Kühlung der Brennluft nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Grundsätzlich ist es darüber hinaus auch bekannt, einen als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauscher als Luft-Luft-Wärmetauscher auszubilden, bei dem folglich die Brennluft mittels Kühlluft in Form von Umgebungsluft, die beispielsweise von einem von der Brennkraftmaschine angetriebenen Lüfter gefördert wird, gekühlt wird. Auch bei einer solchen Ausgestaltung ist eine effektive Kühlung bei extremen Einsatzbedingungen, bei denen die Umgebungsluft ein hohes Temperaturniveau hat, nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für Brennluft bereitzustellen, mit dem eine verbesserte und vereinfachte Kühlung der Brennluft ermöglicht ist. Weiterhin ist ein entsprechendes Verfahren zur Kühlung der Brennluft anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kühlmittel ein Kraftstoff ist. Das entsprechende Verfahren zur Kühlung der Brennluft sieht vor, dass der Wärmetauscher von einem als Kühlmittel fungierenden Kraftstoff durchströmt wird. Der Kraftstoff wird zum Betrieb der Brennkraftmaschine benötigt und weist in zumindest in den ganz überwiegenden Betriebszuständen der Brennkraftmaschine ein niedrigeres Temperaturniveau als das Kühlmittel der Brennkraftmaschine beispielsweise in Form von Kühlwasser oder Umgebungsluft auf.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftstoff ein kryogener oder aber ein unter hohem Druck stehender und sich bei einer Entspannung abkühlender Kraftstoff. Insbesondere bei solchen Kraftstoffen ist der Gegenstand der Erfindung besonders vorteilhaft umsetzbar. Ein kryogener Kraftstoff ist beispielsweise ein zum Betrieb der Brennkraftmaschine geeignetes Brenngas (LNG, flüssiges H₂). Ist der Kraftstoff ein unter hohem Druck stehender und sich bei Entspannung abkühlender Kraftstoff, wird ein sogenannter Joule-Thomson-Effekt ausgenutzt, der bei einer Entspannung des Kraftstoffs eine starke Abkühlung desselben bewirkt beziehungsweise auslöst. Grundsätzlich kann ein solcher Kraftstoff auch Brenngas oder Wasserstoff sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher einerseits mit einem Abgasturbolader zur Zuführung der Brennluft und andererseits mit einer Ladeluftleitung der Brennkraftmaschine verbunden. Dabei ist der besondere Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung der Brennluft ermöglicht ist, die Möglichkeit, den Wärmetauscher direkt angrenzend an den Abgasturbolader und direkt angrenzend an die Ladeluftleitung an der Brennkraftmaschine zu verbauen. Dadurch kann auf herkömmliche Brennluftverbindungsleitungen zur Verbindung der zuvor genannten Bauteile gänzlich verzichtet werden beziehungsweise diese können zur rein funktionalen Verbindung der Bauteile entsprechend kurz ausgelegt sein. Beispielsweise ist es neben der zum Stand der Technik diskutierten Kühlung der Brennluft durch das Kühlmittel der Brennkraftmaschine häufig so, dass der Ladeluftkühler von Umgebungsluft gekühlt wird, die durch eine entsprechende frontnahe Platzierung des Ladeluftkühlers in einem Motorraum eines Fahrzeugs, in dem der Ladeluftkühler eingebaut ist, durchströmt wird. Bei Stillstand des Fahrzeugs und bei beispielsweise tropischen Einsatzbedingungen muss die Umgebungsluft zusätzlich beispielsweise mittels eines Lüfters durch den Ladeluftkühler bewegt werden. Da andererseits der Abgasturbolader normalerweise auf einer kühlluftfernen Getriebeseite oder getriebenahen Längsseite der Brennkraftmaschine angeordnet ist, sind lange Brennluftleitungen zur Verbindung der genannten Bauteile erforderlich. Diese bedeuten einen zusätzlich Bauaufwand und die durch die Brennluftleitungen geführte Brennluft wird beispielsweise von der Strahlungswärme der Brennkraftmaschine wieder zusätzlich erwärmt.
Ist in weiterer Ausgestaltung der Der Erfindung der als Kühlmittel herangezogene Kraftstoff ein kryogener Kraftstoff, der eine sehr niedrige Temperatur von beispielsweise zwischen minus 140° C und minus 160° C aufweist, ist eine sehr effektive Kühlung der Ladeluft möglich. Niedrige Temperaturen im Bereich von minus 40° C können auch durch die Entspannung von unter Hochdruck stehenden Kraftstoffen erreicht werden. Der Wärmetauscher kann durch die großen Temperaturunterschiede deutlich kleiner ausgestaltet sein, wobei in weiterer Ausgestaltung zudem die Durchströmung des Wärmetauschers mit dem Kraftstoff einstellbar ist. Dabei kann beispielsweise eine bypassventilgesteuerte Umgehungsleitung zu dem Wärmetauscher vorgesehen sein. Durch die Verkürzung der Brennluftstrecke von dem Abgasturbolader zu der Ladeluftleitung wird zudem eine deutliche Steigerung des dynamischen Ansprechverhaltens der Brennkraftmaschine bewirkt. Dabei ändert sich abhängig von der Last der Brennkraftmaschine und damit des Ladeluftmassenstroms der Massenstrom des Kühlmittels, wodurch der Ansaugluftmassenstrom kleineren Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Da der kryogene Kraftstoff nach der Entnahme aus einem Kraftstofftank zur Zuführung, insbesondere Einblasung, in Brennräume der Brennkraftmaschine erwärmt werden muss, ist die Durchführung durch den Ladeluftkühler besonders effektiv, weil dadurch ein zusätzlicher Aufheizwärmetauscher eingespart werden kann. Gegebenenfalls ist der Ladeluftkühler mit einer beispielsweise während einer Startphase der Brennkraftmaschine einschaltbaren zusätzlichen Heizeinrichtung zur effektiven Aufwärmung des Kraftstoffs ausgestattet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmetauschers für Brennluft und das Verfahren zur Kühlung der Brennluft mittels eines solchen Wärmetauschers ist besonders vorteilhaft bei einem Fahrzeug, einer Maschine oder einem Aggregat umsetzbar, in dessen Motorraum eine erfindungsgemäß ausgestaltete Brennkraftmaschine mit dem zuvor beschriebenen Wärmetauscher eingebaut ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung werden bei herkömmlicher Ausgestaltung auf das Kühlsystem einwirkende Störgrößen weiter reduziert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel näher beschrieben ist.
Die einzige Figur zeigt eine Draufsicht auf ein nur schematisch dargestelltes Fahrzeug 1, das einen Motorraum 2 aufweist, in dem eine Brennkraftmaschine 3 eingebaut ist. Das Fahrzeug 1 wird vorzugsweise in Richtung des Pfeils 4 bewegt, indem von der Brennkraftmaschine 3 erzeugte Arbeitsleistung vorzugsweise über eine Getriebe 5 und eine Kardanwelle 6 an eine Antriebsräder 7 tragende Antriebsachse 8 abgegeben wird. Im Bereich des Motorraums 2 ist eine lenkbare Räder 9 tragende Vorderradachse 10 angeordnet. Bei einer Ausgestaltung des Fahrzeugs 1 als Kettenfahrzeug oder Schienenfahrzeug sind die Antriebsache und Vorderradachse entsprechend durch geeignete Einrichtungen ersetzt.
Die Brennkraftmaschine 3 weist eine Abgaskrümmerleitung 11 und auf der gegenüberliegenden Seite eine Brennlufteinlassleitung 12 auf, die beide ventilgesteuert mit Brennräumen der Brennkraftmaschine 3 verbindbar sind. In die mit der Abgaskrümmerleitung 11 verbundene Abgasleitung 13 ist (neben Einrichtungen zur Nachbehandlung des Abgases zur Verringerung der Abgasemissionen) eine Turbine 15 eines Abgasturboladers 14 eingeschaltet. Mit der Turbine 15 des Abgasturboladers 14 ist ein Lader 16 verbunden, der aus der Umgebung des Fahrzeugs 1 durch eine Brennluftleitung 17 mit einem eingebauten Luftfilter zugeführte Brennluft verdichtet und direkt in einen als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauscher 18 leitet.
Der Wärmetauscher 18 ist unmittelbar zwischen dem Lader 16 des Abgasturboladers 14 und der Brennlufteinlassleitung 12 angeordnet und mit diesen direkt oder unter Einschaltung von (sehr) kurzen Brennluftverbindungsleitungen verbunden. Dabei ist zwischen dem Lader 16 und der Brennluftleitung 17 normalerweise noch eine Drosselklappe angeordnet. Der Wärmetauscher 18 wird der von dem Lader 16 zugeführten Brennluft von Kühlmittel durchströmt, das ein Kraftstoff ist. Dieser Kraftstoff wird in einem Kraftstofftank 19 als beispielsweise kryogener Kraftstoff bevorratet und eine Kraftstoffleitung 20 ist nach der Durchströmung des Wärmetauschers 18 zu Kühlzwecken der Brennluft mit Injektoren 21 verbunden. In die Kraftstoffleitung 20 kann neben anderen Komponenten beispielsweise ein Druckregler 22 vorzugsweise vor dem Wärmetauscher 18 eingebaut sein. Der Kraftstoff wird zum Betrieb der Brennkraftmaschine mittels der Injektoren 21 direkt in die Brennräume oder in die Brennlufteinlassleitung 12 eingeblasen. In die Brennräume wird die gekühlte Brennluft direkt ventilgesteuert eingebracht. Durch die Durchströmung des Wärmetauschers 18 erwärmt sich der Kraftstoff und kann ohne direkt einen Aufheizwärmetauscher zu durchströmen in die Brennräume eingeblasen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112013005285 T5 [0002]

Claims

Wärmetauscher (18) für Brennluft, insbesondere Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine (3), wobei der Wärmetauscher (18) zur Durchströmung von Brennluft und davon getrennt von einem Kühlmittel ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ein Kraftstoff ist.
Wärmetauscher (18) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff ein kryogener Kraftstoff ist.
Wärmetauscher (18) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff ein Brenngas ist.
Wärmetauscher (18) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoff ein unter hohem Druck stehender und sich bei Entspannung abkühlender Kraftstoff ist.
Wärmetauscher (18) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) einerseits mit einem Abgasturbolader (14) zur Zuführung der Brennluft und andererseits mit einer Brennlufteinlassleitung (12) der Brennkraftmaschine (3) verbunden ist.
Wärmetauscher (18) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (3) in einem Motorraum (2) eines Fahrzeugs (1), einer Maschine oder eines Aggregates verbaut ist.
Wärmetauscher (18) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) angrenzend an den Abgasturbolader (14) und angrenzend an die Brennlufteinlassleitung (12) an der Brennkraftmaschine (3) angebaut ist.
Wärmetauscher (18) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmetauscher (18) und der Brennlufteinlassleitung (12) eine Drosselklappe angeordnet ist.
Wärmetauscher (18) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Wärmetauschers (18) mit Kühlmittel einstellbar ist.
Wärmetauscher (18) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in eine Kühlmittelleitung eingebauter Druckregler (22) direkt vor dem Wärmetauscher (18) angeordnet ist.
Verfahren zur Kühlung von Brennluft mittels eines Wärmetauschers (18), wobei der Wärmetauscher (18) zur Durchströmung von Brennluft und davon getrennt von einem Kühlmittel ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) von einem als Kühlmittel fungierenden Kraftstoff durchströmbar ist.
Fahrzeug (1) mit einem Wärmetauscher (18) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) auf einer Getriebeseite der Brennkraftmaschine (3) direkt zwischen einem Abgasturbolader (14) und einer Brennlufteinlassleitung (12) angeordnet ist.