DE10002482A1

DE10002482A1 - Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10002482A1
Application number: DE10002482A
Authority: DE
Inventors: Bernd Zimmermann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem angetriebenen Verdichter, der Verbrennungsluft über eine Leitung zur Brennkraftmaschine fördert, wobei in der Leitung ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Ladeluftkühlers ist stromab von diesem ein Rückstauventil in der Leitung vorgesehen, mittels dem verdichterseitig ein höherer Ladedruck als brennkraftmaschinenseitig einsteuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer aufgelade nen Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Erhöhung der spezifischen Leistung und des Wirkungsgrades ist es be kannt, Brennkraftmaschinen mit Aufladung und Ladeluftkühlung zu betreiben. Schon aus baulichen Gründen kann dabei der Ladeluftkühler nicht beliebig groß sein, so dass immer noch hohe Ladelufttemperaturen auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, mittels der bei geringem Mehraufwand die Ladelufttempera tur weiter absenkbar ist, ohne jedoch den baulichen Aufwand des Ladeluft kühlers zu erhöhen, und mit der bei plötzlichem Beschleunigen der Brennkraftmaschine eine schnelle Ladedruckerhöhung erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in der Verbrennungsluftleitung zur Brennkraftmaschine stromab des Ladeluftkühlers ein Rückstauventil anzu ordnen, mittels dem verdichterseitig ein höherer Ladedruck als brennkraft maschinenseitig benötigt einsteuerbar ist. Mit der verdichterseitigen Lade druckerhöhung geht eine Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft einher, die das Temperaturgefälle am Ladeluftkühler entsprechend vergrößert und eine höhere Kühlleistung bewirkt. Wird die unter erhöhtem Ladedruck ste hende Verbrennungsluft am Rückstauventil auf den regulären Ladedruck wieder entspannt, so sinkt die Temperatur auf einen entsprechend tieferen Wert ab.

Sofern die Brennkraftmaschine mit einer kennlinienabhängigen Ladedruck kurve betrieben wird, kann das Rückstauventil in diese Regelung des Lade druckes eingebunden sein, so dass jeweils bei höher anstehendem Lade druck das Rückstauventil aktiviert und eine erhöhte Ladeluftkühlung verwirk licht ist.

Ferner kann - sofern die Brennkraftmaschine eine Bypassregelung zur Be grenzung des maximalen Ladedruckes aufweist - die Regelung des Rückstauventiles mit der Regelung des Bypassventiles logisch verknüpft sein, so dass im wesentlichen erst der brennkraftmaschinenseitige Lade druck, dann durch Aktivierung des Rückstauventiles der erhöhte Ladedruck und schließlich über das Bypassventil der maximal zulässige Ladedruck ge steuert werden.

Zudem kann bei einer plötzlichen Leistungsanforderung an die Brennkraft maschine das Rückstauventil - falls aktiviert - kurzzeitig aufgesteuert wer den. Dies führt zu einer nahezu schlagartigen Erhöhung des Ladedruckes P₂ und zu einem sofortigen Leistungsanstieg (z. B. für Überholvorgänge des Kraftfahrzeuges).

Das Rückstauventil kann pneumatisch, bevorzugt jedoch elektrisch gesteuert sein, z. B. über ein elektromagnetisches oder elektromotorisches Stellglied.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel heiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt eine Brennkraft maschine mit einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung, mit einem Abgasturbo lader mit einem Bypassventil und einem in der Verbrennungsluftleitung an geordnetem Rückstauventil.

Eine aufgeladene Brennkraftmaschine 10 herkömmlicher Bauart, z. B. eine Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, weist an saugseitig eine Verbrennungsluft-Leitung 12 auf, die über einen Ansaugver teiler 14 an die Brennkraftmaschine 10 angeschlossen ist.

In der Leitung 12 sind unter anderem ein Rückstauventil 16 und stromauf dazu ein Ladeluftkühler 18 angeordnet.

Das Rückstauventil 16 weist ein bewegliches Ventilelement 20 auf, mittels dem der Durchflussquerschnitt der Leitung 12 mehr oder weniger aufsteuer bar ist. Das Ventilelement 20 wird von einem nicht dargestellten elektromoto rischen Stellglied bewegt, welches Stellglied über eine elektrische Leitung 22 mit einem elektronischen Steuergerät 24 verbunden ist; das Steuergerät 24 kann ein auch die anderen Funktionen wie Zündung und Kraftstoffeinsprit zung der Brennkraftmaschine 10 steuerndes Motorsteuergerät sein.

Stromauf des Ladeluftkühlers 18 ist in die Leitung 12 ein Verdichter 26 ein geschaltet, der Teil eines Abgasturboladers 28 ist, der über einen Luftfilter 27 Verbrennungsluft ansaugt und diese unter einem definierten Ladedruck P der Brennkraftmaschine 10 zuführt.

Die den Verdichter 26 antreibende Abgasturbine 30 des Abgasturboladers 28 sitzt in einer nur teilweise dargestellten Abgasleitung 32 der Brennkraftma schine 10. Der Abgasstrom kann zur Regelung der Leistung des Abgastur boladers 28 über eine Bypassleitung 34 mittels eines Bypassventiles 36 ab gesteuert werden. Das elektrisch gesteuerte Bypassventil 36 ist über eine elektrische Leitung 38 ebenfalls mit dem Steuergerät 24 verbunden.

Ferner sind in der Leitung 12 stromauf des Rückstauventiles 16 und in dem Ansaugverteiler 14 stromab des Rückstauventiles 16 Drucksensoren 40, 42 vorgesehen, die über elektrische Leitungen 46, 48 mit dem Steuergerät 24 verbunden sind und druckrelevante Signale P₁ und P₂ abgeben.

Zur Verbesserung der Kühlleistung des Ladeluftkühlers 18, der ein Luft-Was ser- oder ein Luft-Luft-Wärmetauscher sein kann, wird über das Rückstau ventil 16 der Druck P₁ in der Leitung 12 stromauf des Rückstauventiles 16 durch entsprechende Querschnittsverminderung erhöht, z. B. wie folgt:

Es sei angenommen, die Temperatur der Verbrennungsluft in der Leitung 12 ist 30°C und der Druck 1000 mbar. Bei isentroper Verdichtung der Verbren nungsluft mittels des Verdichters 26 auf 1760 mbar steigt die Temperatur der Verbrennungsluft auf ca. 78°C. Wird die Verbrennungsluft duch den Lade luftkühler 18 geführt, so kann sie auf ca. 56°C abgekühlt werden.

Wird jedoch die Verbrennungsluft verdichterseitig aufgrund des Rückstau ventiles 16 bei gleichem Ausgangsdruck 1000 mbar und gleicher Temperatur 30°C auf 3000 mbar verdichtet, so erwärmt sie sich auf ca. 142°C und wird in dem Ladeluftkühler 18 auf etwa 91°C abgekühlt. Bei der folgenden isentropen Entspannung der Verbrennungsluft am Rückstauventil 16 stromab von diesem fällt die Temperatur schließlich auf ca. 35°C.

Die Temperatur der der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Verbrennungs luft konnte somit bei baulich unverändertem Ladeluftkühler 18 um 21°C bzw. um ca. 40% gesenkt werden.

Das elektronische Steuergerät 24 steuert das Rückstauventil 16 und das By passventil 36 derart, das zunächst bei vollem Öffnungsquerschnitt des Rückstauventiles 16 (also ohne Rückstau) der gewünschte Ladedruck P₂ für die Brennkraftmaschine 10 erreicht wird.

Nach Erreichen des gewünschten Ladedruckes P₂ wird bei weiter ansteigen der Verdichterleistung das Rückstauventil 16 aktiviert und sukzessive der Ladedruck P₁ bei im wesentlichem gleichbleibenden Ladedruck P₂ erhöht, wodurch wie vorbeschrieben der Wirkungsgrad des Ladeluftkühlers 18 er höht bzw. die Verbrennungslufttemperatur stromab des Rückstauventiles 16 abgesenkt wird.

Bei Erreichen eines maximal zulässigen Ladedruckes P₁ (Ladedruck P₁ und daraus resultierender Abgasgegendruck sind entsprechend abzustimmen) wird dann zur Vermeidung eines weiteren Druckanstiegs zunehmend das Bypassventil 36 aufgesteuert.

Wird die Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine 10 plötzlich erhöht - z. B. durch schnelles Öffnen einer n. d. Drosselklappe oder durch schnelles Gasgeben - so wird über das Steuergerät 24 das Rückstauventil 16 kurzzeitig voll geöffnet, so dass der Ladedruck P₂ schlagartig erhöht und die Brennkraftmaschine 10 kurzzeitig überladen wird (sogenannter over boost). Dies führt zu einer kurzzeitigen sofort einsetzenden Leistungserhöhung.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. So können das Rückstauventil 16 und/oder das Bypassventil 36 auch pneuma tisch über entsprechende Membranmotoren abhängig von den Drücken P₁ und P₂ und - sofern in der Verbrennungsluftleitung 12 auch zur Leistungs steuerung der Brennkraftmaschine 10 eine willkürlich steuerbare Drosselklappe angeordnet sein sollte - auch abhängig von einem stromab dieser Drosselklappe liegenden Druck P₃ gesteuert werden.

Anstelle eines Abgasturboladers kann auch ein mechanisch angetriebener Lader (Kompressor) verwendet sein.

Claims

1. Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit zumindest einem angetriebenen Verdichter, der Verbrennungsluft über eine Leitung zur Brennkraftma schine fördert, wobei in der Leitung ein Ladeluftkühler angeordnet ist, da durch gekennzeichnet, dass stromab des Ladeluftkühlers (18) ein Rück stauventil (16) in der Leitung (12) vorgesehen ist, mittels dem verdichter seitig ein höherer Ladedruck (P₁) als brennkraftmaschinenseitig (P₂) ein steuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rück stauventil (16) steuerungstechnisch in die Ladedruckregelung der Brenn kraftmaschine (10) eingeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstauventil (16) bei Erreichen des maximalen Ladedruckes (P₂) der Brennkraftmaschine (10) einsetzt und verdichterseitig einen erhöhten La dedruck (P₁) einsteuert.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstauventil (16) bei einer Brennkraftma schine (10) mit Abgasturboladung und einem Bypassventil (36) mit der Bypasssteuerung (24) logisch verknüpft ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Errei chen eines maximalen Ladedruckes (P₁) stromauf des Rückstauventiles (16) das Bypassventil (36) zu öffnen beginnt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstauventil (16) ein elektrisch verstellbares Drosselventil ist, mit dem der Öffnungsquerschnitt der Leitung (12) steu erbar ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstauventil (16) bei einer plötzlichen Leistungsanforderung an die Brennkraftmaschine (10) kurzzeitig aufsteuerbar ist.