SE529731C2 - Kylararrangemang hos ett fordon - Google Patents

Description

529 751 na kyls av omgivande luft. Därmed kan de återcirkulerande avgaserna även kylas till en temperatur som väsentligen motsvarar omgivningens temperatur. Avgaser innehåller vattenånga som kondenserar inuti EGR-kylaren då avgaserna kyls till en temperatur som är lägre än vattenångans daggpunkt. I fall då den omgivande luftens temperatur är under 0°C finns det även en risk att det kondenserade vattnet fryser till is inuti EGR- kylaren. En sådan isbildning medför att avgasemas strömningskanaler inuti EGR- kylaren mer eller mindre täpps igen, vilket resulterar i avgasemas halt av halt av kvä- veoxider ökar.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett kylararrangemang som in- nefattar en luftkyld kylare for kylning av ett gasformigt medium där det gasformiga mediet förhindras att kylas under en lägsta acceptabel temperatur även om omständig- heter då den kylande luften har en mycket låg temperatur.

Detta syfie uppnås med kylararrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Enligt uppfinningen innefattar kylararrangemanget således ett värmetillförande element som är monterat i en position uppströms kylaren med avseende på den kylande lufiström- mens riktning. Under omständigheter då mediet i kylaren riskerar att kylas ned under den lägsta acceptabla temperaturen aktiveras det värmetillförande elementet så att den värmer upp luften som passerar genom det värmetillförande elementet. Därmed till- handahåller den kylande luftströmmen en högre temperatur än omgivningen då den når den nedströms belägna kylaren. Lämpligen värms luftströmmen så att den tillhandahål- ler en temperatur som åtminstone motsvarar mediets lägsta acceptabla temperatur.

Därmed garanteras att det gasformiga mediet i kylaren inte kan kylas till en temperatur under den lägsta acceptabla temperaturen av luftströmmen. Gasformiga medium som innefattar luft innehåller vattenånga. Då ett sådant gasformigt medium kyls till en tem- peratur under vattenångans daggpunkt fälls vatten i vätskefonn ut inuti kylaren. Kyls det gasformiga mediet till en temperatur under 0°C fryser det utfällda vattnet till is inuti kylaren. Med den ovan nämnda lägsta acceptabla medietemperaturen avses i för- sta hand att det gasformiga mediet inte kyls till en temperatur under 0°C så att is bildas inuti kylaren. I praktiken kan en säkerhetsmarginal på ett par grader dock vara tillämp- bar för att säkerställa att isbildning inte sker i någon del av kylaren. Det är dock inte uteslutet att nämnda lägsta acceptabla temperatur kan avse andra temperaturer och and- 10 15 20 25 30 35 529 731 ra fenomen än isbildníng. Exempelvis så kan det vara önskvärt att förhindra en alltför riklig kondensation i kylaren.

Enligt en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är nämnda kylare en laddluftkylare och att nämnda medium är komprimerad luft som leds till förbrän- ningsmotom. De flesta dieseldrivna förbränningsmotorer och många bensindrivna för- bränningsmotorer är överladdade dvs. de innefattar ett turboaggregat som suger in och komprimerar omgivande luft som leds till förbränningsmotom. Den omgivande luften innehåller vattenånga i en mängd som varierar med den omgivande luftens fuktighet.

Det är många gånger svårt att förhindra att vattenånga kondenserar i kylaren då den komprimerade luften har en högre daggpunkt än luft med omgivningens tryck. Den komprimerade luften bör dock inte kylas i laddluftkylaren till en temperatur under 0°C eftersom den kondenserade vattenångan därvid fryser till is. Nämnda kylare kan vara en EGR-kylare och att nämnda medium är avgaser som återcirkuleras till förbrän- ningsmotom. Avgaser innehåller en relativt stor andel vattenånga som kan kondensera i EGR-kylaren. De återcirkulerande avgaserna bör därför inte heller kylas i EGR- kylaren till en temperatur under 0°C så att den kondenserade vattenångan fryser till is i EGR-kylaren.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda styrmedel en styren- het som är anpassad att aktivera det värmetillförande elementet med hjälp av inforrna- tion från åtminstone en sensor som avkänner en parameter som är relaterad till det gas- forrniga mediets temperatur i kylaren. Styrenheten kan vara en datorenhet som är för- sedd med en programvara som är anpassad att utvärderar när det värmetillförande ele- mentet behöver aktiveras. Därmed kan det värmetillförande elementet aktiveras och stängas av automatiskt av Styrenheten under drift av fordonet. Altemativt eller i kom- bination kan nämnda styrmedel innefatta ett manövreringsorgan i form av en knapp eller dylikt med vilken det värmetillförande elementet kan aktiveras manuellt. Nämnda sensor kan vara en temperatursensor som är anpassad att avkärma det gasformiga me- diets temperatur väsentligen omedelbart efter att det lämnat kylaren. Eftersom det gas- forrniga mediets successivt kyls ned under passagen genom kylaren har det sin lägsta temperatur då det lämnar kylaren. Om det gasformiga mediet har en temperatur som åtminstone motsvarar den lägsta acceptabla temperaturen då det lämnar kylaren torde det inte heller ha haft en lägre temperatur på något ställe under passagen av kylaren. 10 15 20 25 30 35 529 751 Enligt en annan föredragen uttöringsform av uppfinningen är det värmetillförande ele- mentet en värmeväxlare som är anpassad att genomströmmas av ett värmetillförande medium under tillfällen då det gasformiga mediet i kylaren riskerar att kylas under den lägsta acceptable temperaturen. En sådan värmeväxlare bör ha en utformning så att den tillhandahåller en effektiv och väsentligen likforrnig värmning av den kylande lufi- strömmen innan den når den nedströms belägna kylaren. Nämnda styrmedel kan inne- fatta ett ventilorgan med vilken det är möjligt att reglera tillförseln av det värmetillfö- rande mediet till värmeväxlaren. Genom att ställa ventilorganet i ett önskat läge kan regleringen av det värmetillförande mediet till värmevåxlaren ske på ett enkelt och tillförlitligt sätt. Eventuellt kan ventilorganet ha en konstruktion så att det medger en reglerbar inställning av flödet av det värmetillförande mediet till värmeväxlaren.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är det värmetillförande me- diet en kylvätska som används i ett kylsystem för kylning av förbränningsmotorn. Kyl- vätskan i kylsystemet har normalt, under drifi av förbränningsmotorn, en relativt hög väsentligen konstant temperatur. Kylvätskan är därför mycket lämplig att utnyttja som värmetillförande medium i detta sammanhang. Om något annat kylsystem används för kylning av någon komponent i fordonet kan kylvätskan i detta kylsystem utnyttjas som värmetillförande medium. Ett värmetillíörande medium som direkt eller indirekt värms av avgaserna från förbrärmingsmotorn torde även kunna nyttjas. Nämnda styrmedel kan vara anpassade att även initiera tillförsel av kylvätskan till värmeväxlaren under tillfällen då kylvätskan i kylsystemet är i behov av extra kylning. Kylsystemet för kyl- ning av förbrärmingsmotorn utnyttjas i allt större utsträckning även för kylning av and- ra komponenter i fordon såsom retardrar och återcirkulerande avgaser. Under omstän- digheter då kylsystemets ordinarie kylare inte räcker till för att hålla kylvätskan under en högsta acceptabel temperatur kan nämnda värmeväxlare aktiveras och utnyttjas som en extra kylare. Alternativt kan värmeväxlaren aktiveras så snart som en kylkrävande komponent såsom, exempelvis, en retarder aktiveras. Med fördel är nämnda värmetill- förande element och nämnda kylare monterade i ett område som är beläget vid ett frontparti hos fordonet. Det värmetillförande elementet placeras här åtminstone delvis framför kylaren. F ordonets fartvind och en eventuell kylarfläkt åstadkommer här en luftström i en specifik riktning vilken först passerar genom det värmetillförande ele- mentet innan den passerar genom kylaren. 10 15 20 25 30 35 529 731 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utföringsform av uppfinning- en med hänvisning till bifogad ritning, på vilken: F ig. 1 visar ett kylararrangemang hos ett fordon enligt en utföringsform av föreliggan- de uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. l visar ett fordon 1 som drivs av en överladdad förbränningsmotor 2. Fordonet 1 kan vara ett tungt fordon som drivs av en överladdad dieselmotor. Avgaserna från förbränningsmotorns 2 cylindrar leds, via en avgassamlare 3, till en avgasledning 4.

Avgaserna i avgasledningen 4, som har ett övertryck, leds till en turbin 5 hos ett turbo- aggregat. Turbinen 5 tillhandahåller därvid en drivkraft, som överförs, via en förbind- ning, till en kompressor 6. Kompressom 6 komprimerar därvid den luft som, via ett luftfilter 7, leds in i en inloppsledning 8. En laddluftkylare 9 är anordnad i inloppsled- ningen 8. Laddluftkylaren 9 är anordnad i ett område A vid ett frontparti av fordonet l.

Laddluftkylarens 9 uppgift är att kyla den komprimerade luften innan den leds till för förbrärmingsmotorn 2. Den komprimerade luften kyls i laddluftkylaren 9 medelst om- givande luft som strömmar genom laddluftkylaren 9 i en speciflk riktning med hjälp av en kylarfläkt 10. Kylarfläkten 10 drivs av förbränningsmotorn 2 medelst en lämplig förbindning.

Förbränningsmotorn 2 är försedd med ett EGR- system (Exhaust Gas Recirculation) för âtercirkulation av avgaserna. Medelst en inblandning av avgaser i den komprimera- de luft som leds till motorns cylindrar sänks förbränningstemperaturen och därmed även halten av kväveoxider (NOX) som bildas under förbränningsprocesserna. En re- turledning ll för âtercirkulation av avgaser sträcker sig från avgasledningen 4 till in- loppsledningen 8. Returledningen ll innefattar en EGR-ventil 12, med vilken avgas- flödet i returledningen ll kan stängas av. EGR-ventilen 12 kan även användas för att steglöst styra den mängd avgaser som leds från avgasledningen 4, via returledningen ll, till inloppsledningen 8. Returledningen ll innefattar en första EGR-kylare 14 för att kyla avgaserna i ett första steg och en andra EGR-kylare 15 för att kyla avgaserna i ett andra steg. Hos överladdade dieselmotorer 2 är, under vissa driftstillstând, avgaser- 10 15 20 25 30 35 529 731 nas tryck i avgasledningen 4 lägre än den komprimerade luftens tryck i inloppsledning- en 8. Under sådana driftstillstånd är det inte möjligt att direkt blanda avgaserna i retur- ledningen 11 med den komprimerade luften i inloppsledningen 8 utan speciella hjälp- medel. Härvid kan, exempelvis, en venturi 16 användas. Om förbränningsmotorn 2 istället är en överladdad ottomotor kan avgasema i returledningen ll direkt ledas in i inloppsledningen 8 då avgaserna i avgasledningen 4 hos en ottomotor väsentligen un- der alla driftstillstånd uppvisar ett högre tryck än den komprimerade luften i inlopps- ledningen 8. Efter att avgaserna blandats med den komprimerad luft i inloppsledningen 8 leds blandningen, via en förgrening 17, till förbränningsmotorns 2 respektive cylind- rar.

Förbränningsmotom 2 kyls på ett konventionellt sätt medelst ett kylsystem som inne- fattar en cirkulerande kylvätska. Kylvätskan cirkuleras i kylsystemet medelst en kyl- vätskepump 18. Kylsystemet innefattar även en termostat 19. Kylvätskan i kylsystemet är avsett att kylas i en kylare 20, som är monterad vid ett främre parti av fordonet 1, nedströms laddluftkylaren 9 och den andra EGR-kylaren 15 med avseende på luftens strömningsriktning i området A. Kylvätskan i kylsystemet utnyttjas även för att kyla de återcirkulerande avgasema i det första steget i den första EGR-kylaren 14. Kylsystemet innefattar därvid en förgrening i form av en ledning 21 som initialt leder kylvätska till den första EGR-kylaren 14 för kylning av de återcirkulerande avgasema i det första steget. Den första EGR-kylaren 14 kan vara monterad på eller i anslutning till förbrän- ningsmotom 2. De återcirkulerande avgasema kan här kylas från en temperatur av cir- ka 500 - 600°C till en temperatur i närheten av kylvätskans temperatur som i regel är inom omrâdet 70 - 90°C.

Efter att kylvätskan passerat genom den första EGR-kylaren 14 leds den till ett ventil- organ 22. En elektrisk styrenhet 23 i form av en datorenhet som är försedd med en lämplig programvara 23a är anpassad att ställa ventilorganet 22 i olika lägen. Då styr- enheten ställer ventilorganet 22 i ett första läge leds kylvätskan från den första EGR- kylaren 14 till en ledning 24 där den förenas med kylvätska som kommer från förbrän- ningsmotom 2. Kylvätskan leds, via ledningen 24, till kylaren 20 där den kyls innan den åter används för kylning av förbrärmingsmotom 2 eller de återcirkulerande avga- sema i första EGR-kylaren 14. Då styrenheten 23 ställer ventilorganet 22 i ett andra läge leds kylvätskan från den första EGR-kylaren 14, via en ledning 25, till en vänne- växlare 26. Värmeväxlaren 26 är monterad i en position uppströms laddluftskylaren 9 och den andra EGR-kylaren 15 med avseende på den kylande luftströmmens specifika 10 15 20 25 30 35 529 731 riktning i området A så att åtminstone en huvudsaklig del av den luften som strömmar genom värmeväxlaren 26 även strömmar genom laddluftskylaren 9 och den andra EGR-kylaren 15. För att ställa ventilorganet 22 i ett korrekt läge mottar styrenheten 23 information från en första temperatursensor 27 och en andra temperatursensor 28. Den första temperatursensom 27 avkänner den komprimerade luftens temperatur omedel- bart efter att den lämnat laddluftkylaren 9. Den andra temperatursensor 28 avkänner de återcirkulerande avgasemas temperatur omedelbart efter att den lämnat den andra EGR-kylaren 15. Styrenheten 23 mottar även information från och en tredje tempera- tursensor 29 som avkänner kylvätskans temperatur efter att den kylt förbränningsmo- tom 2.

Den komprimerade luften i laddluftkylaren 9 och de återcirkulerande avgaserna i den andra EGR-kylaren 15 kyls i detta fall således av en kylande luftström av omgivande luft. Därmed är det möjligt att kyla den komprimerade luften och avgaserna till en temperatur som väsentligen motsvarar omgivningens temperatur. Luften och avgasema kyls för att de ska få en lägre volymitet. Det är därvid möjligt att tillföra en större mängd luft och återcirkulerande avgaser till förbrärmingsmotorns cylindrar. Då omgiv- ningens temperatur är låg kondenserar vattenånga i den komprimerade luften i ladd- luftkylaren 9 och vattenånga i avgasema i den andra EGR-kylaren 15. Om omgiv- ningstemperaturen är under 0°C finns det även en risk att kondenserad vattenånga fry- ser till is i de respektive kylama 9, 15. Luftens strömningskanaler i laddluftkylaren 9 och avgasemas strömningskanaler i den andra EGR-kylaren kan därvid täppas igen.

Den komprimerade luften och avgaserna bör således inte kylas till en temperatur som är lägre än 0°C.

Under drift av förbrärmingsmotorn 2 mottar styrenheten 23 således information från den första sensorn 27 avseende den komprimerade luftens temperatur efter att den kylts i laddluftkylaren 9 och information från den andra sensom 28 avseende de återcirkule- rande avgasemas temperatur efter att de kylts i den andra EGR-kylaren 15. Styrenheten 23 jämför mottagna temperaturvärden med en referenstemperatur. För att förhindra isbildning i laddluftkylaren 9 och den andra EGR-kylaren 15 kan en referenstemperatur användas vilken är 0°C. För att ha en säkerhetsmarginal mot att isbildning inte sker inuti laddluftkylaren 9 och den andra EGR-kylaren l5 kan styrenheten 23 jämföra mot- tagna temperaturvärden med en referenstemperatur som är något högre än 0°C. Så länge som styrenheten 23 mottar information från den första sensom 27 att den kom- primerade luftens temperatur efter kylningen i laddluftkylaren 9 är över referenstempe- 10 15 20 25 30 35 529 731 raturen och från den andra sensorn 24 att de återcirkulerande avgaserna har en tempera- tur över referenstemperaturen ställer styrenheten 23 ventilorganet i det första läget.

Därmed kommer kylvätskan som cirkuleras genom den första EGR-kylaren 14 att ledas till kylsystemets ordinarie kylare 20. Ingen kylvätska leds således i detta fall till vär- meväxlaren 26. Den kylande luftströmmen tillhandahåller därmed ingen uppvärmning då den passerar genom värmeväxlaren 26 utan den har fortfarande omgivningens tem- peratur då den når laddluftkylaren 9 och den andra EGR-kylaren 15.

Om styrenheten 23 mottar information från någon av sensorerna 27, 28 att den kom- primerade luften eller de återcirkulerande avgaserna har kylts till en temperatur under referenstemperaturen ställer styrenheten 23 ventilorganet 22 i det andra läget. Därmed leds den varma kylvätska från den första EGR-kylaren 14, via ventilorganet 22 och ledningen 25, till värmeväxlaren 26. Luften som strömmar genom värmeväxlaren 26 tillhandahåller därmed en uppvärmning av den kylande luftsnömmen innan den når laddluftkylaren 9 och den andra EGR-kylaren l5. Kylningen av den komprimerade luften i laddluftkylaren 9 och avgaserna i den andra EGR-kylaren 15 reduceras därmed avsevärt. Värmeväxlaren 26 kan vara dimensionerad för att värma den kylande luft- strömmen till en temperatur som överstiger O°C. Därmed kan den komprimerade luften i laddluftkylaren 9 och de återcirkulerande avgasema i den andra EGR-kylaren 15 med säkerhet inte kylas till en temperatur under O°C. Risken för isbildning inuti laddluftky- laren 9 och den andra EGR-kylaren 15 är därmed helt eliminerad.

Under vissa omständigheter finns det en risk att kylsystemet överbelastas dvs. att kyl- vätskan i kylsystemet erhåller en för hög temperatur. Sådana omständigheter kan, ex- empelvis, uppkomma då förbrärmingsrnotorn har en hög belastning samtidigt som en hög omgivningstemperatur råder. Om kylsystemet för förbränningsmotorn även utnytt- jas för att kyla andra komponenter i fordonet såsom, exemplevis, en retarder, som krä- ver en stor kylkapacitet, kan kylsystemet även överbelastas då retardern utnyttjas. Det är under sådana omständigheter möjligt att utnyttja föreliggande värmeväxlare 26 så- som en extra kylare. Kylsystemet tillhandahåller därmed en extra kylkapacitet som förhindrar att kylvätskan överhettas. Styrenheten 23 kan därvid ha den extra funktionen att mottaga information från sensor 29 avseende kylvätskans temperatur efter att den lämnat forbräimingsmotorn 2. Kylvätskan i kylsystemet har normalt sin högsta tempe- ratur efter att den kylt förbränningsmotorn 2. Styrenheten 23 är anpassad att jämföra kylvätskans temperatur med en referenstemperatur som kylvätskan inte bör överskrida.

Om kylvätskans temperatur överstiger referenstemperaturen ställer styrenheten 23 ven- 10 529 751 tilorganet 22 i det andra läget. Varm kylvätska strömmar därvid genom värmeväxlaren 26 där den kyls av den kylande luftströmmen. I detta fall, kyls kylvätskan i kylsystemet båda i den ordinarie kylaren 20 och i värmeväxlaren 26. Därmed tillhandahåller kylsy- stemet en extra kylkapacitet så att en överbelastning av kylsystemet förhindras.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till de på ritningen beskrivna utforingsformerna utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar. Värmeväxlaren kan användas för att vänna en kylande luftströmmen som endast passerar genom en laddluftkylare eller ge- nom en EGR-kylare. Värmeväxlaren behöver inte värma hela den kylande luftström- men som når laddluftkylaren eller EGR-kylaren.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 529 731 10 Patentkrav

1. l. Kylararrangemang hos ett fordon (1) som drivs av en törbrüningsmotor (2), varvid kylararrangemanget innefattar åtminstone en kylare (9, 15) som genomströmmas av ett gasformigt medium som är anpassat att kylas av en utvändig lufistzröm som strömmar i en specifik riktning genom kylaren (9, 15) under drift av iörbränningsmotorn (2), kg netecknat av att kylararrangemanget innefattar ett värmetillförande element (26) som är monterat i en position uppströms nämnda kylare (9, 15) med avseende på den kylande luftströmmens specifika riktning så att åtminstone en del av den luften som strömmar genom det värmetillfiirande elementet (26) även strömmar genom kylaren (9, 15) och styrmedel (22, 23) som är anpassade att aktivera det värmetillfiårande elementet (26) så att luiten som strömmar genom det värmetillfiirande elementet (26) värms upp under tillfällen då det gasfonniga mediet i kylaren (9, 15) riskerar att kylas under en lägsta acceptabel temperatur.

2. Kylararrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda kylare är en laddluft- kylare (9) och att nämnda gasformiga medium är komprimerad luft som leds till tör- bränriingsmotorn (2).

3. Kylaranangemang enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda kylare är en EGR- kylare (15) och att nämnda gasformiga medium är avgaser som âtercirkuleras till tör- bränningsmotorn (2).

4. Kylararrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av nänmda styr- medel innefattar en styrenhet (23) som är anpassad att aktivera det värmetillförande elementet (26) med hjälp av information fiån åtminstone en sensor (27, 28) som av- känner en parameter som är relaterad till det gasformiga medíets temperatur i kylaren (9, 15).

5. Kylararrangemang enligt krav 4, kännetecknat av att nämnda sensor är en tempera- tursensor (27, 28) som är anpassad att avkänna det gasformiga mediets temperatur vä- sentligen omedelbart efter att det lämnat kylaren (9, 15).

6. Kylararrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att det värme- tillförande elementet är en värmeväxlare (26) som är anpassad att genomströmmas av 10 15 20 529 731 11 ett värmetillfiirande medium under tillfällen då det gasformiga mediet i kylaren (9, 15) riskerar att kylas under nämnda lägsta acceptabla temperatur.

7. Kylararrangemang enligt krav 6, kännetecknat av att nämnda styrmedel innefattar ett ventilorgati (22) med vilken det är möjligt att reglera tillfiirseln av det vârmetillíörande mediet till värmeväxlaren (26).

8. Kylararrangemarig enligt något av föregående krav 6 eller 7, att det värmetilliörande mediet är en kylvätska som används i ett kylsystem för kylning av lörbränníngsmotom (2).

9. Kylararrangemang enligt krav 8, kânnetecknat av att nämnda styrmedel (22, 23) är anpassade att även initiera tillförsel av kylvätskan till värmeväidaren under tillfällen då kylvätskan i kylsystemet är i behov av extra kylning.

10. Kylararrangemang enligt något av föregående krav, att nämnda värmetilltörande element (26) och nämnda kylare (9, 15) är monterade i ett område (A) som är beläget vid ett frontparti hos fordonet (l).