DE102016225083A1 - Wärmetauscher für Brennluft - Google Patents
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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 Motorraum2 aufweist, in dem eine Brennkraftmaschine3 eingebaut ist. Das Fahrzeug1 wird vorzugsweise in Richtung des Pfeils4 bewegt, indem von der Brennkraftmaschine3 erzeugte Arbeitsleistung vorzugsweise über eine Getriebe5 und eine Kardanwelle6 an eine Antriebsräder7 tragende Antriebsachse8 abgegeben wird. Im Bereich des Motorraums2 ist eine lenkbare Räder9 tragende Vorderradachse10 angeordnet. Bei einer Ausgestaltung des Fahrzeugs1 als Kettenfahrzeug oder Schienenfahrzeug sind die Antriebsache und Vorderradachse entsprechend durch geeignete Einrichtungen ersetzt. - Die Brennkraftmaschine
3 weist eine Abgaskrümmerleitung11 und auf der gegenüberliegenden Seite eine Brennlufteinlassleitung12 auf, die beide ventilgesteuert mit Brennräumen der Brennkraftmaschine3 verbindbar sind. In die mit der Abgaskrümmerleitung11 verbundene Abgasleitung13 ist (neben Einrichtungen zur Nachbehandlung des Abgases zur Verringerung der Abgasemissionen) eine Turbine15 eines Abgasturboladers14 eingeschaltet. Mit der Turbine15 des Abgasturboladers14 ist ein Lader16 verbunden, der aus der Umgebung des Fahrzeugs1 durch eine Brennluftleitung17 mit einem eingebauten Luftfilter zugeführte Brennluft verdichtet und direkt in einen als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauscher18 leitet. - Der Wärmetauscher
18 ist unmittelbar zwischen dem Lader16 des Abgasturboladers14 und der Brennlufteinlassleitung12 angeordnet und mit diesen direkt oder unter Einschaltung von (sehr) kurzen Brennluftverbindungsleitungen verbunden. Dabei ist zwischen dem Lader16 und der Brennluftleitung17 normalerweise noch eine Drosselklappe angeordnet. Der Wärmetauscher18 wird der von dem Lader16 zugeführten Brennluft von Kühlmittel durchströmt, das ein Kraftstoff ist. Dieser Kraftstoff wird in einem Kraftstofftank19 als beispielsweise kryogener Kraftstoff bevorratet und eine Kraftstoffleitung20 ist nach der Durchströmung des Wärmetauschers18 zu Kühlzwecken der Brennluft mit Injektoren21 verbunden. In die Kraftstoffleitung20 kann neben anderen Komponenten beispielsweise ein Druckregler22 vorzugsweise vor dem Wärmetauscher18 eingebaut sein. Der Kraftstoff wird zum Betrieb der Brennkraftmaschine mittels der Injektoren21 direkt in die Brennräume oder in die Brennlufteinlassleitung12 eingeblasen. In die Brennräume wird die gekühlte Brennluft direkt ventilgesteuert eingebracht. Durch die Durchströmung des Wärmetauschers18 erwärmt sich der Kraftstoff und kann ohne direkt einen Aufheizwärmetauscher zu durchströmen in die Brennräume eingeblasen werden. - 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
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- DE 112013005285 T5 [0002]
Claims (13)
- 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 oder7 , 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.
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DE112013005285T5 (de) | 2012-12-10 | 2015-08-13 | Caterpillar Inc. | Temperaturgesteuertes Abgasrückführungssystem und Verfahren für Dualkraftstoff-Motoren |
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