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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Um einen Kompromiss zwischen Kraftstoffverbrauch und C02-Ausstoß einerseits und Motorleistung anderseits zu erzielen, werden heutzutage insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge aufgeladene Verbrennungsmotoren eingesetzt. Im Rahmen der als Turboaufladung bekannten Maßnahme wird während der Ansaugphase Verbrennungsluft bzw. Ladeluft mittels eines Verdichters komprimiert und nachfolgend in die Zylinder des Motors eingebracht. Durch die höhere Ladeluftdichte kann die Leistung und der Wirkungsgrad des Motors gesteigert werden. Bei der Ladeluft kann es sich je nach Ausgestaltung des Verbrennungsmotors um Frischluft oder ein Frischluft-Abgas-Gemisch handeln.
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Die Verdichtung der Ladeluft führt jedoch zunähst dazu, dass sich ihre Temperatur erhöht, was wiederum zur Abnahme der Dichte und damit zum verringerten Sauerstoffgehalt führt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, erfolgt die Aufladung heutzutage grundsätzlich mit gekühlter Ladeluft. Zur Kühlung der Ladeluft wird ein Ladeluftkühler verwendet, welcher stromabwärts des Verdichters angeordnet ist. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen direkter und indirekter Ladeluftkühlung. Bei der ersten Art wir die Ladeluft in einem Wärmetauscher temperiert, welcher im Fahrzeug angeordnet ist und von Umgebungsluft angeströmt und dadurch gekühlt wird. Bei der zweiten Art wird die Ladeluft in einem Wärmetauscher gekühlt, welcher sehr nahe am Motor angebracht ist, wobei die Temperaturabsenkung mittels eines Kühlmittels erfolgt, welches mittels eines in der Front des Fahrzeugs angeordneten Kühlmittelkühlers temperiert wird. Die indirekte Ladeluftkühlung bietet den Vorteil von vergleichsweise kürzeren Ladeluftleitungen, wodurch Druckverluste beim Aufladevorgang reduziert werden können. Zusätzlich steht durch die im Vergleich zur Größe eines konventionellen Ladeluftkühlers kompaktere Bauweise des Kühlmittelkühlers mehr Platz in der Fahrzeugfront zur Verfügung. Als Nachteil kann gesehen werden, dass bei der indirekten Ladeluftkühlung der Ladeluftkühler als gesondertes Bauteil über dem Motorblock angeordnet werden muss und zusätzlich Leitungen für das Kühlmittel und die zu kühlende Ladeluft bereitgestellt werden müssen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ausgehend von den aus dem bekannten Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Kühlung von Ladeluft eine Ladeluftkühlerausgestaltung mit einem hohen Wärmeübertragungspotential bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der beiliegenden Beschreibung.
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Es wird ein Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, in dem verdichtete Ladeluft für die Brennkraftmaschine mithilfe eines Kühlfluids gekühlt wird. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler ist als eine Anordnung von ähnlichen z.B. rohrförmigen Segmenten ausgebildet, welche in ihrer Gesamtheit eine Ladeluftkühlleitung ausbildet. Dabei weist jedes rohrförmige Segment eine integrierte Kühlung auf, so dass im Betrieb des Ladeluftkühlers die durch die Ladeluftkühlleitung strömende Ladeluft mithilfe des Kühlfluids gekühlt wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein flüssiges Kühlmittel handeln, z.B. Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung, oder aber auch um Umgebungsluft. Generell können die Segmente bevorzugt mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden, beispielsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler, welcher insbesondere bei der indirekten Ladeluftkühlung verwendet werden kann, erfolgt die Kühlung der Ladeluft nicht erst im konventionellen Ladeluftkühler, welcher als gesondertes Bauteil nahe des Verbrennungsmotors, beispielsweise über dem Motorblock, angeordnet ist, und damit sozusagen „punktuell“, sondern über die Ladeluftkühlleitung hinweg verteilt. Anders ausgedrückt erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler die aktive Kühlung (d.h. gezielte Kühlung der Ladeluft mithilfe des Kühlfluids) entlang der Ladeluftkühlleitung und damit beispielsweise im konventionellen Sinne bereits in der Zuleitung zum klassischen Ladeluftkühler und/oder in der Leitung stromabwärts des klassischen Ladeluftkühlers, beispielsweise im Leitungsabschnitt zwischen konventionellem Ladeluftkühler und dem Brennraum. Da die Segmente der Ladeluftkühlleitung eine integrierte Kühlung aufweisen, trägt jedes der z.B. rohrförmigen Segmente zur Kühlleistung bei. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler mit der Ladeluftkühlleitung kann als Ersatz für den konventionellen Ladeluftkühler samt den dazugehörigen nicht aktiv kühlenden Leitungen gesehen werden, durch welche die Ladeluft zu dem und von dem konventionellen Ladeluftkühler weg befördert wird.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers kann dieser eine Anordnung gleichartig ausgestalteter Segmente aufweisen, welche die Ladeluftkühlleitung ausbilden. Die Segmente können beispielsweise als zylinderförmige Rohrstücke oder rohrförmige/röhrenartige Segmente (nachfolgend als rohrförmige Segmente bezeichnet) ausgebildet sein, die unterschiedlich lang/breit sein können und/oder eine Krümmung aufweisen können, wobei diese zwischen verschiedenen rohrartigen Segmenten variieren kann. Beispielsweise können Längen und Querschnittsflächen der rohrförmigen Segmente entlang ihrer Längsachse zumindest in einem Teilbereich unterschiedlich sein. Die Enden der rohrförmigen Segmente können gleiche Abmessungen aufweisen, um ein einfaches Zusammenführen zu ermöglichen. Die Ladeluftkühlleitung kann ausgebildet werden, indem einzelne rohrförmige Segmente miteinander zusammengefügt werden, beispielsweise durch schweißen oder kleben. Die Ladeluftkühlleitung und damit die diese ausbildenden rohrförmigen Segmente können im Querschnitt eine beliebige Grundform aufweisen und beispielsweise rund, oval oder polygonal ausgebildet sein. Unter dem Begriff „rohrähnliches Segment“ kann somit beispielsweise ein längliches Rohr gemeint sein, welches Bestandteil der Ladeluftkühlleitung ist und in seinem Inneren Strukturen aufweist, die einen Wärmeaustausch zwischen Ladeluft und Kühlfluid begünstigen.
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Die Anordnung der rohrförmigen Segmente, welche die Ladeluftkühlleitung ausbilden, kann eine zusammenhängende sequentielle Anordnung der röhrenförmigen Segmente aufweisen. Durch Anpassen der Anzahl und/oder der Länge der die Ladeluftkühlleitung ausbildenden rohrförmigen Segmente kann die Kühlleistung eingestellt werden. Insbesondere kann eine Kühlleistung pro Längeneinheit eines rohrförmigen Segments bestimmt werden, also die Menge an Wärme, die pro Längeneinheit von der Ladeluft auf das Kühlfluid in einem rohrförmigen Segment mit einer bestimmen inneren Struktur übertragen werden kann. Durch Aneinanderreihen einer bestimmten Anzahl von rohrförmigen Segmenten ergibt sich entsprechend eine Ladeluftkühlleitung mit einer bestimmten Kühlleistung. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler kann als ein modularer Aufbau aus miteinander verbundenen autarken Kühlsegmenten betrachtet werden.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Ladeluftkühlers kann jedes rohrförmige Segment im Inneren eine Vielzahl von ersten Kanälen, durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers die Ladeluft strömt, und eine Vielzahl von zweiten Kanälen aufweisen, durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers das Kühlfluid strömt. Im Inneren der rohrförmigen Segmente befindet sich also eine Struktur aus ersten und zweiten Kanälen, bei der die Kontaktfläche zwischen ersten und zweiten Kanälen, an der ein Wärmetransport zwischen der Ladeluft und dem Kühlfluid erfolgt, erheblich vergrößert ist. Typische Abmessungen der inneren Struktur, beispielsweise die Durchmesser der ersten und zweiten Kanäle, können im Bereich von einigen zehntel Millimetern bis zu einigen zehn Millimetern betragen. Die ersten und zweiten Kanäle im Inneren eines rohrförmigen Segments können beliebig angeordnet sein und sich beispielsweise verzweigen oder zusammenlaufen. In einer Ausführungsform können die ersten und zweiten Kanäle innerhalb eines rohrähnlichen Segments aneinander angrenzend angeordnet werden, so dass im Querschnitt senkrecht zur Strömungsachse der Ladeluft durch ein rohrförmiges Segment betrachtet eine regelmäßige Struktur vorliegt, z.B. eine Honigwabenstruktur oder eine Schachbrettstruktur. Die ersten und zweiten Kanäle können dann entsprechend einen sechseckigen bzw. einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Generell kann die Querschnittsform der ersten und zweiten Kanäle eine beliebige Form aufweisen - sie kann beispielsweise auch rund oder oval sein. Die ersten und zweiten Kanäle können insbesondere derart ausgebildet werden, dass eine hohe Wärmeübertragung zwischen ihnen stattfinden kann bei gleichzeitiger Vermeidung oder zumindest Minimierung eines Druckverlustes der die Ladeluftkühlleitung durchströmenden Ladeluft.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers können die ersten Kanäle benachbarter rohrförmiger Segmente miteinander gekoppelt sein und analog können die zweiten Kanäle benachbarter rohrförmiger Segmente miteinander gekoppelt sein. Dadurch wird zum einen gewährleistet, dass sowohl die Ladeluft durch die Ladeluftkühlleitung strömen kann. Zum anderen kann an einer Stelle der Ladeluftkühlleitung das Kühlfluid in die Ladeluftkühlleitung eingebracht werden und ebenfalls durch die Ladeluftkühlleitung strömen. An einer weiteren Stelle der Ladeluftkühlleitung kann das Kühlfluid wieder aus der Ladeluftkühlleitung herausgeführt werden. Je nach Anzahl der vom Kühlfluid durchströmten Segmente ergibt sich eine bestimmte Kühlleistung des Ladeluftkühlers.
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Gemäß weiteren Ausführungsformen des Ladeluftkühlers kann dieser ferner einen Kühlfluidkühler aufweisen, welcher zum Temperieren des Kühlfluids eingerichtet ist und derart mit den zweiten Kanälen der rohrförmigen Segmente gekoppelt ist, dass im Betrieb des Ladeluftkühlers eine Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlfluidkühler und die zweiten Kanäle der Ladeluftkühlleitung herbeigeführt wird. Dazu kann der Kühlfluidkühler entsprechend mit der Ladeluftkühlleitung gekoppelt werden, so dass diese zusammen mit entsprechenden Verbindungsleitungen und dem Kühlfluidkühler einen Kreislauf bilden.
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Gemäß weitern Ausführungsformen des Ladeluftkühlers kann dieser ferner eine Reglungseinheit aufweisen (z.B. einen entsprechend eingerichteten Schaltkreis), welche eingerichtet ist, die Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlfluidkühler und die zweiten Kanäle der Ladeluftkühlleitung zu regeln. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise eine Kühlfluidpumpe derart ansteuern, dass die Ladeluft am Ausgang des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers die gewünschte Temperatur aufweist. Dazu kann die Durchflussrate des Kühlfluids geregelt werden oder aber auch die Kühlfluidzirkulation gänzlich an- und ausgeschaltet werden.
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In weiteren wird eine Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bereitgestellt, wobei der erfindungsgemäße Ladeluftkühler bzw. die Ladekühlleitung zwischen einem Ausgang eines Verdichters der Brennkraftmaschine und einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine handeln, bei welcher die dem Brennraum zugeführte Ladeluft mittels eines Verdichters komprimiert wird. Die Ladekühlleitung kann sich bis zum Ansaugtrakt erstrecken oder zumindest einen Teil davon enthalten.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem konventionellen Ladeluftkühler.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler.
- 3A zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Innenstruktur eines rohrförmigen Segments.
- 3B zeigt eine Ansicht einer weiteren beispielhaften Innenstruktur eines rohrförmigen Segments.
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In 1 ist ein typischer Aufbau eines Verbrennungsmotors 10 gezeigt. Im Folgenden wird nur auf den für die Erfindung relevanten Teil der Ladeluftkühlung des Verbrennungsmotors 10 eingegangen. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Ladeluftkühler 11 auf, welcher im vorliegenden Beispiel auf dem Motorblock angeordnet ist. Der Ladeluftkühler 11 weist im Wesentlichen einen Wärmetauscher auf. Die Ladeluft wird aus dem Verdichter in komprimierter Form mittels der Ladeluftzuleitung 12 dem Ladeluftkühler 11 zugeführt. Die im Ladeluftkühler 11 gekühlte Luft wird sodann über den stromabwärts vom Ladeluftkühler 11 angeordneten Ansaugtrakt, in dem die Drosselklappe 13 angeordnet ist, in die Zylinder des Verbrennungsmotors 10 eingebracht. Wie in 1 dargestellt, wird bei dem beispielhaften konventionellen Ladeluftkühlkonzept wird die Ladeluft mittels der Ladeluftzuleitung 12 in den Ladeluftkühler 11 überführt und erst dort abgekühlt. Somit wird die Temperatur der Ladeluft in der Ladeluftzuleitung 12 nicht verändert (unter Vernachlässigung der Kühlung, welche durch Aufheizen der Außenwand der Ladeluftzuleitung durch die Ladeluft erfolgt). Auch der Bereich des Ansaugtrakts, welcher unter anderem die Leitung zwischen Ladeluftkühler 11 und Drosselklappe 13 aufweist, trägt nicht zur aktiven Kühlung der Ladeluft bei.
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In 2 ist ein konventioneller Verbrennungsmotor 10 aus 1 dargestellt, bei jedoch kein konventioneller Ladeluftkühler 11 eingebaut ist, sondern eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers. Der Ladeluftkühler gemäß der Erfindung weist eine Ladeluftkühlleitung 20 auf, welche im gezeigten Beispiel vier rohrförmige Segmente aufweist, wobei das Bezugszeichen 20 auf das der Drosselklappe 20 am nächsten gelegene vierte rohrförmige Segment zeigt. Die einzelnen rohrförmigen Segmente können nach Bedarf gefertigt und zusammengefügt werden, um einen gewünschten Verlauf der Ladeluftkühlleitung 20 zu erhalten. Ihre Anzahl und Konfiguration kann von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel abweichen. Beispielsweise kann sich die Ladeluftkühlleitung 20 bis in den Ansaugtrakt erstrecken. Die zusammengefügten rohrförmigen Segmente der Ladeluftkühlung 20 weisen im Inneren Strukturen auf, welche einen effizienten Wärmeaustusch zwischen Ladeluft und Kühlfluid ermöglichen, etwa die bereits erwähnten ersten und zweiten Kanäle. Stromaufwärts und/oder stromabwärts der Ladeluftkühlleitung 20 können Rohrsegmente angeordnet sein, die keine integrierte Kühlung aufweisen, beispielsweise in einem Fall, in dem geringe Kühlleistungen erforderlich sind. Mit anderen Worten kann zwischen dem ersten stromabwärts angeordneten rohrförmigen Segment der Ladeluftkühlleitung 20 und dem Ausgang des Verdichters ein normales Rohrstück angeordnet sein, welches keine integrierte Kühlung aufweist. Anders ausgedrückt kann die Ladeluftkühlleitung 20 mindestens einen Teil der Ladeluftleitung zwischen Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Brennraums ausmachen. Es ist weiterhin denkbar, eine Kombination aus konventionellem Ladeluftkühler und Rohrsegmenten vorzusehen.
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In 3A ist eine beispielhafte Innenstruktur eines rohrförmigen Segments 30 gezeigt in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Längsachse eines der in 2 dargestellten rohrförmigen Segmente. Das rohrförmige Segment 30 weist eine Außenwand 31 und eine Innenwand 32 auf. Im Innenbereich des rohrförmigen Segments 30 sind erste Kanäle 34 und zweite Kanäle 33 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind die zweiten Kanäle 33 als Längsfurchen durch das rohrförmige Segment 30 ausgebildet und werden im Betrieb durch das Kühlfluid durchströmt. Zwischen je zwei zweiten Kanälen 33 ist eine Vielzahl von rechteckigen ersten Kanälen 34 ausgebildet, die im Betrieb von der Ladeluft durchströmt werden (die Kanäle können auch z.B. sechseckig oder anderweitig geformt ausgeführt sein). Jeder erste Kanal 34 teilt sich dabei zwei seiner gegenüberliegenden Begrenzungswände mit jeweils einem weiteren ersten Kanal 33 und jede der beiden anderen sich gegenüberliegenden Begrenzungswände des ersten Kanals 34 stellt zugleich einen Teil der Begrenzungswand jeweils eines zweiten Kanals 33 dar. Durch die zahlreichen Materialstege zwischen den ersten und zweiten Kanälen 33, 34, welche der Gesamtheit der Begrenzungswände entsprechen, kann eine sehr große Oberfläche zwischen dem Volumen des Kühlfluids und dem Volumen der Ladeluft bereitgestellt werden. Insgesamt weist damit die innere Struktur eines rohrförmigen Segments 30 ein hohes Wärmeübertragungspotential auf. Das Kühlfluid kann über in der Außenwand 31 und/oder Innenwand verlaufende Leitungen in die zweiten Kanäle 34 eingespeist werden. Ebenso können die zweiten Leitungen 33 zumindest teilweise in der Außenwand 31 und/oder in der Innenwand 32 verlaufen.
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Die in 3A gezeigte innere Struktur der rohrförmigen Segmente 30 ist nur eine von zahlreichen Ausgestaltungsmöglichkeiten. Auch können nur Teilbereiche des Rohres mit solchen Strukturen versehen sein. Beispielsweise kann das Verhältnis aus Hohlräumen und Materialstegen bei der Ausbildung der ersten und zweiten Kanäle 33, 34 je nach verwendetem Material zur Ausbildung der Materialstege und je nach Geometrie der inneren Struktur verändert werden. Die rohrförmigen Segmente können bevorzugt mittels eines 3D-Druckverfhrens hergestellt werden, wodurch feine und zugleich komplexe Kanalstrukturen herstellbar sind.
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In 3B ist eine weitere beispielhafte Innenstruktur eines rohrförmigen Segments gezeigt. Die Struktur ist der in 3A gezeigten Struktur ähnlich. Jedoch sind hier die ersten Kanäle 34 im Querschnitt oval ausgebildet und in streifenförmigen Bereichen zwischen den zweiten Kanälen 33 angeordnet. Im Vergleich zu der in 3A gezeigten inneren Struktur sind die Materialstege zwischen den Kanälen 33, 34 in 3B deutlich größer dimensioniert.
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Der im Rahmen dieser Beschreibung vorgestellte Ladeluftkühler kann bei direkten wie auch bei indirekten Ladeluftkühlkonzepten zum Einsatz kommen. Im ersten Fall kann es sich bei dem Kühlfluid um Umgebungsluft handeln, welche durch beispielsweise durch Fahrtwind in die zweiten Kanäle des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers eingebracht wird.
