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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine mit
mindestens einem Turbolader sowie ein System zur Kühlung der
Ladeluft für
eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Turbolader.
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Bei
Brennkraftmaschinen mit Aufladung, insbesondere Abgasturboaufladung,
wird die angesaugte Frischluft durch den/die Turbolader komprimiert. Diese
Verdichtung führt
zu einer Temperaturerhöhung,
die den Aufladegrad und damit die Leistung vermindert und ferner
zu einer erhöhten
Prozesstemperatur führt.
Damit verbunden ist ein höherer
Kraftstoffverbrauch und eine steigende NOx-Emission.
Bei Otto-Motoren beeinflusst die Ladelufttemperatur die Klopfneigung
und wirkt sich damit auf die erzielbare Leistung aus.
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Für eine optimale
Motoreffizienz und optimale Leistung muss die Temperatur der komprimierten Frischluft
daher gesenkt werden. Zu diesem Zweck wird dem Turbolader ein Ladeluftkühler nachgeschaltet.
Bei der Abkühlung
der Ladeluft ist darauf zu achten, dass der Druckverlust durch die
Abkühlung
gering gehalten wird. Zudem muss der Raumbedarf des Ladeluftkühlers aufgrund
der begrenzten Platzverhältnisse
im Motorbereich gering gehalten werden.
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Zu
diesem Zweck sind Systeme vorgeschlagen worden, bei denen der Luftstrom
von dem Turbolader durch zwei in Reihe geschaltete Ladeluftkühler geführt wird,
bevor die so abgekühlte
Luft dem Motor zugeleitet wird. Der Nachteil einer solchen Reihenschaltung
von Ladeluftkühlern
liegt in dem Druckverlust, dem der Ladeluftstrom bei dieser Behandlung unterliegt.
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Weiterhin
sind Systeme vorgeschlagen worden, bei denen der Ladeluftstrom nach
dem Verlassen des Turboladers in zwei Ladeluftmassenströme aufgeteilt
wird. Ein solches System ist schematisch in der 2 dargestellt. Der vom Turbolader kommende
Luftmassenstrom wird an einer Verzweigung, beispielsweise zu gleichen
Teilen, aufgeteilt. Der erste daraus resultierende Teilmassenstrom
wird einem ersten Ladeluftkühler
A zugeführt,
während
der zweite Teilmassenstrom den ersten Ladeluftkühler A umgeht. Anschließend wird
der zweite Teilmassenstrom dem zweiten Ladeluftkühler B zugeführt, während der
bereits gekühlte
erste Teilmassenstrom an dem zweiten Ladeluftkühler B vorbeigeführt wird.
Nachdem die beiden Teilmassenströme
vereinigt wurden, werden diese an den Motor geleitet. Aufgrund des wegen
der Aufteilung des Luftstroms um 50 % verringerten Luftmassenstroms
in jedem der beiden parallel geschalteten Ladeluftkühler A,
B, kann der Druckverlust in der Ladeluftstrecke verringert werden.
Die Ladeluftkühler
werden bei der in 2 gezeigten
Anordnung in den Fahrzeugschürzen
angebracht. Aufgrund der großen
Abstände
zwischen den beiden Ladeluftkühlern
kann es bei dieser Anordnung allerdings zu weiteren Druckverlusten
kommen, die wiederum die erzielbare Motorleistung beeinflussen. Eine
solche Parallelschaltung von Ladeluftkühlern ist beispielsweise in
der WO 02/31329 A1 beschrieben.
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Aus
der
JP 01 073121 A ist
ein Ladeluftkühler
für eine
Brennkraftmaschine beschrieben, welcher zwei Turbolader aufweist.
Darüber
hinaus umfasst der Ladeluftkühler
zwei vertikal übereinander orientierte
Kühler,
von denen jeder mit einem der Turbolader verbunden ist. Die von
den Turboladern komprimierte Luft wird in den Kühlern abgekühlt und in einen Verteiler
befördert,
von dem aus die abgekühlte Luft
in die in V-Form angeordneten Zylinder weitergeleitet wird. Die
Kühler
und der Verteiler sind im Wesentlichen zentriert zwischen den Zylindern
angeordnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Ladeluftkühler und
ein System für
die Ladeluftkühlung
bereitzustellen, bei denen der Druckverlust im System gering gehalten
werden kann und gleichzeitig ein einfacher Aufbau des Ladeluftkühlers und
ein geringer Bauraumbedarf gegeben ist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden
kann, indem eine Parallelschaltung von Ladeluftmassenströmen in einer
einzigen Baukomponente realisiert wird.
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Die
Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung daher gelöst durch einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine
mit mindestens einem Turbolader, wobei der Ladeluftkühler sich
dadurch auszeichnet, dass dieser mindestens zwei Kühlbereiche
besitzt, die bezüglich
der Luftströmung parallel
geschaltet sind, jeder der Kühlbereiche
einen Einlass für
einen Luftstrom aufweist und die Einlässe an den Kühlbereichen
so angeordnet sind, dass die Luftströme in mindestens zwei der Kühlbereiche
gegensinnig sind und aufeinander zulaufend ausgerichtet sind.
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Als
Kühlbereich
wird im Sinne dieser Erfindung der Bereich des Ladeluftkühlers bezeichnet, der
zwischen dem Einlass der Ladeluft in den Ladeluftkühler und
dem Auslass der Ladeluft aus dem Ladeluftkühler liegt. In zumindest einem
Teil dieses Bereichs erfolgt die eigentliche Kühlung der Ladeluft. In diesem
Teil des Kühlbereichs
können
eine oder mehrere Kühlleitungen
oder Kühlrippen
vorgesehen sein, durch die die Ladeluft geführt wird und die von dem Kühlmittel,
beispielsweise dem Fahrtwind, umströmt werden. Sofern mehrere Kühlleitungen
vorgesehen sind, ist die Strömungsrichtung
innerhalb des Kühlbereichs
vorzugsweise in allen Kühlleitungen
gleichgerichtet.
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Durch
die Parallelschaltung der Kühlbereiche
in einer einzigen Baukomponente ergeben sich bautechnische Vorteile.
Insbesondere können
einzelne Bauteile eines Kühlbereichs
gleichzeitig für
den anderen Kühlbereich
dienen. Zudem ist durch die Integration zweier Kühlbereiche in einer Baukomponente
der Einbau und gegebenenfalls Austausch des Ladeluftkühlers vereinfacht.
Da die Einlässe
an dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler so
angeordnet sind, dass die Luftströme in den zwei Kühlbereichen gegensinnig
verlaufen und aufeinander zulaufend ausgerichtet sind, können zusätzlich strömungstechnische
Wechselwirkungen zwischen den beiden Luftströmen genutzt werden.
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Die
Kühlbereiche
sind spiegelsymmetrisch zueinander in dem Ladeluftkühler angeordnet.
Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass beide Kühlbereiche
die gleiche Länge
und insbesondere die gleiche Kühlstrecke
zur Verfügung
stellen. Hierdurch wird eine gleichmäßige Kühlung beider Teilluftströme erzielt.
Zudem stellt die spiegelsymmetrische Auslegung der beiden Kühlbereiche
eine Vereinfachung bei der Herstellung des Ladeluftkühlers dar.
Die Spiegelebene liegt vorzugsweise senkrecht zu der Hauptausdehnungsrichtung
der Kühlbereiche.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weisen die beiden Kühlbereiche
einen gemeinsamen Auslass auf. Da die Luftströme in den zwei Kühlbreichen
aufeinander zulaufend ausgerichtet sind, stimmt das Ende des ersten
Kühlbereichs mit
dem Ende des zweiten Kühlbereichs überein.
An dieser Position des Ladeluftkühlers
können
die beiden Teilluftströme
gemeinsam über
einen Auslass den Ladeluftkühler
verlassen. Hierbei kann die Strömung
der beiden Teilströme
verwendet werden, um eine Umlenkung der Teilströme in Richtung des gemeinsamen
Auslass zu erzielen.
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Erfindungsgemäß ist es
aber auch möglich, jedem
Kühlbereich
einen eigenen Auslass zuzuordnen und die Auslässe der einzelnen Kühlbereiche
zueinander benachbart an dem Ladeluftkühler anzuordnen. Bei dieser
Ausgestaltung kann beispielsweise eine Trennvorrichtung zwischen
den beiden Kühlbereichen
vorgesehen sein. Diese Trennvorrichtung kann beispielsweise in Form
einer Trennwand ausgebildet sein. Der Vorteil, der sich aus getrennten
Ausgängen
der Kühlbereiche
ergibt, liegt darin, dass eventuelle Druckschwankungen in dem einen
oder anderen Kühlbereich
sich nicht auf den jeweils anderen Kühlbereich auswirken.
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Der
Ladeluftkühler
kann erfindungsgemäß ein Sammelstück umfassen, über das
die Luftströme aus
den mindestens zwei Kühlbereichen
zusammengeführt
werden. Dieses Sammelstück
kann je nach Ausgestaltung des Ladeluftkühlers vor oder hinter dem Auslass
beziehungsweise den Auslässen
liegen. Liegt das Sammelstück
vor dem Auslass, so kann dieses beispielsweise einen Sammelkasten darstellen.
Ist das Sammelstück
nach den Auslässen der
einzelnen Kühlbereiche
angeordnet, so kann beispielsweise ein Rohr als Sammelstück dienen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform erstreckt
sich der Ladeluftkühler
längs und
die Einlässe
zu den einzelnen Kühlbereichen
sind an gegenüberliegenden
Enden des Ladeluftkühlers
angeordnet. Die Einlässe
können
jeweils entweder an der Stirnseite der Längsenden des Ladeluftkühlers vorgesehen
sein oder aber unter einem Winkel zu der Längsausdehnung des Ladeluftkühlers an
dem Längsende angebracht
sein. Die sich längsausdehnende
Ausgestaltung des Ladeluftkühlers
weist besondere Vorteile hinsichtlich der Einbauform auf. Ein sich
längs erstreckender
Ladeluftkühler
kann ideal in der Fahrzeugmitte vorgesehen werden. Hierdurch können die Längen der
Leitungen oder Schläuche,
die zu und von dem Ladeluftkühler
verwendet werden müssen, gering
gehalten werden. Zudem wird durch eine große Gesamtlänge des Ladeluftkühlers die
jeweilige Kühlstrecke
der Kühlbereiche
verlängert,
wodurch ein verbessertes Kühlergebnis
erzielt werden kann. Bei einem sich längs erstreckenden Ladeluftkühler ist der
Auslass beziehungsweise sind die Auslässe an der Hälfte der
Länge des
Ladeluftkühlers
angeordnet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegt, gelöst
durch ein System zur Kühlung
der Ladeluft für eine
Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, wobei dieses einen erfindungsgemäßen Ladeluftkühler aufweist.
Mit diesem System können
Ladeluftströme von
zwei getrennten Turboladern effizient gemeinsam gekühlt werden.
Vorzugsweise weist das System aber einen dem Turbolader nachgeordneten
Verteiler auf, der den aus dem Turbolader austretenden Ladeluftstrom
in mindestens zwei Luftströme
unterteilt, die in die mindestens zwei Kühlbereiche des Ladeluftkühlers geleitet
werden.
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Vorteile
und Merkmale, die bezüglich
des Ladeluftkühlers
beschrieben werden, gelten, soweit anwendbar, entsprechend für das Kühlungssystem
und umgekehrt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren
genauer beschrieben.
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Es
zeigen:
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1:
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers und
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2:
eine Ladeluftkühlung
gemäß dem Stand
der Technik.
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Wie
sich aus 2 ergibt und bereits einleitend
beschrieben wurde, sind bei Systemen des Stands der Technik zwei
Ladeluftkühler
vorgesehen, die zeitlich versetzt zueinander Teilströme eines
Ladeluftstroms von einem Turbolader kühlen.
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In 1 ist
hingegen ein erfindungsgemäßer Ladeluftkühler gezeigt,
bei dem der Einsatz eines zusätzlichen
Ladeluftkühlers
entfallen kann.
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Die
Ladeluft wird nach dem Verlassen des Turboladers (nicht dargestellt) über einen
Verteiler oder eine Verzweigung (nicht dargestellt) in einen ersten
und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird
einem ersten Kühlbereich 11 des Ladeluftkühlers 1 über eine
Zuleitung 21 und der zweite Teilstrom dem zweiten Kühlbereich 12 des
Ladeluftkühlers 1 über eine
Zuleitung 22 zugeführt.
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Bei
einem System mit zwei getrennten Turboladern entfällt der
Verteiler bzw. die Verzweigung, da die Zuleitungen 21 bzw. 22 direkt
an die jeweiligen Turbolader anschließen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
besteht der erste Kühlbereich 11 aus
einem Einlassbereich 111 und einem Sammelbereich 112,
sowie der dazwischen liegenden Kühlstrecke 110.
Die Kühlstrecke
kann hierbei aus mehreren Kühlleitungen
bzw. Kühlrippen
gebildet sein, die sich zwischen dem Einlass- und Sammelbereich 111, 112 erstrecken.
In dem Einlassbereich 111 verteilt sich der zugeführte Teilstrom
somit auf die Kühlleitungen
und diese unterteilten Ströme
werden in dem Sammelbereich 112 wieder zusammengeführt.
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Der
Kühlbereich 12 weist
einen entsprechenden Aufbau auf.
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An
dem Sammelbereich 112 und 122 ist jeweils ein
Auslass 41, 42 vorgesehen, über den die gekühlten Luftströme über Leitungen 23 und 24 dem Sammelstück 3 zugeführt werden.
Von dort wird die gekühlte
Ladeluft über
geeignete Verschlauchung oder Verrohrung an den Motor (nicht dargestellt)
geleitet.
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In
der dargestellten Ausführungsform
sind der Sammelbereich 112 und 122 durch eine
Trennwand voneinander getrennt und die Auslässe 41 und 42 voneinander
beabstandet. Wie in der 1 schematisch angedeutet, kann
die Trennwand eine gewölbte
Oberfläche
aufweisen, um den Luftstrom zu dem Auslass zu lenken.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die Sammelbereiche 112 und 122 mit
einander zu verbinden, das heißt
keine Trennwand vorzusehen. In diesem Fall kann ein gemeinsamer
Auslass von dem gemeinsamen Sammelbereich aus vorgesehen sein. Hierbei
kann das getrennte Sammelstück 3 entfallen
und sich unmittelbar an dem gemeinsamen Auslass ein Schlauch oder
ein Rohr für die
Zuleitung zu dem Motor anschließen.
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Weiterhin
können
in dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler der
erste und der zweite Kühlbereich
jeweils durch eine einzige Kühlleitung
gebildet sein. In diesem Fall kann eine Aufteilung der einzelnen
Kühlbereiche
in Einleitungsbereich, Kühlstrecke und
Sammelbereich entfallen. Auch bei dieser Ausgestaltung kann wahlweise
eine Trennwand in dem Bereich des Auslasses beziehungsweise der
Auslässe
vorgesehen sein. Alternativ kann auch hierbei eine durchgehende
Kühlleitung
gewählt
werden, in der beide Kühlbereiche
aufgenommen sind und bei der die Luftströme aus den beiden Kühlbereichen
dem gemeinsamen Auslass über
die Strömungsbedingungen
zugeleitet werden. Schließlich
ist es auch möglich,
einen gemeinsamen Auslass vorzusehen, wobei dieser über einer
Trennwand, die sich nur über
einen Teil der Höhe
des Ladeluftkühlers
erstreckt, angeordnet ist, sodass der Auslass zugleich das Sammelstück darstellt.
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Von
der Erfindung ist ebenfalls ein Ladeluftkühler abgedeckt, bei dem die
Kühlstrecke
beispielsweise durch eine geringe Anzahl von Kühlleitungen gebildet wird und
wobei an jeder der Kühlleitungen
an der Hälfte
von deren Länge
ein eigener Auslass vorgesehen ist.
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Der
erfindungsgemäße Ladeluftkühler kann sowohl
einen luftgekühlten
Ladeluftkühler,
als auch einen wasser- oder einen luft- und wassergekühlten Ladeluftkühler darstellen.
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Wie
sich der vorstehenden Beschreibung entnehmen lässt, wird durch die vorliegende
Erfindung ein Ladeluftkühler
und ein System zur Kühlung der
Ladeluft geschaffen, die sowohl bautechnische Vorteile als auch
lüftungstechnische
Vorteile aufweisen. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Ladeluftkühler in
der Fahrzeugmitte angeordnet werden, eine komplexe Verschlauchung
beziehungsweise Verrohrung, wie dies bei herkömmlichen Parallelschaltungen
von Luftkühlern
notwendig ist, kann entfallen und die Herstellung des Ladeluftkühlers ist
erleichtert.
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Weiterhin
können
mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler Kühlergebnisse
erzielt werden, die eine zuverlässige
Temperatursenkung der komprimierten Ladeluft erlauben ohne einen
hohen Druckverlust während
des Kühlvorgangs
in Kauf nehmen zu müssen.