DE102007045196A1

DE102007045196A1 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007045196A1
Application number: DE102007045196A
Authority: DE
Inventors: Michael Hartmann; Manfred Sulzmann; Karsten Blaier; Karsten Hayen; Dagmar Neu
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Brennkraftmaschine mit einem Ladekühler (1), welcher einen Kühler-Auslassbereich, bestehend aus einem Austrittsgehäuse sowie mehreren Auslasskrümmern (9), umfasst, und mit einem Zylinderkopf (2), welcher einen Luft-Einlasskanal zur Zuführung der Ladeluft in den Brennraum aufweist, wobei der Ladeluftkühler (1) und der Zylinderkopf (2) unter Bildung eines durchgehenden Ladeluft-Gasführungskanals unmittelbar aneinander anliegen. Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Kühler-Auslassbereich ein elektrisches Heizelement (10) zur temporären Vorwärmung der Ladeluft angeordnet ist. Eine zweite Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass im Luft-Einlasskanal des Zylinderkopfs ein elektrisches Heizelement (10) zur temporären Vorwärmung der Ladeluft angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler und einem Zylinderkopf, welche unmittelbar an einander anliegen, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und Anspruch 7.
Aus der DE 10 2005 030 850 A1 ist eine Brennkraftmaschine in Reihenanordnung bekannt, bei der ein Zylinderkopf und ein Ladeluftkühler unmittelbar aneinander angeordnet sind und einen durchgehenden Ladeluft-Gasführungskanal bilden. Die Ladeluft strömt aus dem Ladeluftkühler unmittelbar, also ohne Ladeluft-Sammelrohr, in den Luft-Einlasskanal des Zylinderkopfs und von dort zum Brennraum. Der Ladeluftkühler umfasst einem Kühler-Einlassbereich, eine Kühlermatrix und einem Kühler-Auslassbereich. Der Kühler-Einlassbereich wiederum setzt sich aus einem Einlasskrümmer zum Anschluss an einen Verdichter und einem Eintrittsgehäuse zusammen. In der Kühlermatrix erfolgt der Wärmeübergang aus der Ladeluft in ein zweites Medium, beispielsweise Wasser. Der Kühler-Auslassbereich setzt sich aus einem Austrittsgehäuse und mehreren Auslasskrümmern zusammen, welche am jeweiligen Zylinderkopf dann anliegen. Von Vorteil ist die hohe Packungsdichte der Brennkraftmaschine mit den Nebenaggregaten, da ein quaderförmiger Bauraum nahezu vollständig ausgefüllt wird.
In der Praxis werden Brennkraftmaschinen mit einer Ladeluft-Vorwärmung ausgerüstet. Die Ladeluft-Vorwärmung ermöglicht den Kaltstart und dient zur Weißrauchunterdrückung bei niederen Motortemperaturen. Bekannte Einrichtungen zur Ladeluft-Vorwärmung sind die Flammstart-Anlage, Glühkerzen oder elektrische Heizelemente. Letztere können entweder auf einer separaten Konsole befestigt dem Ladeluft-Sammelrohr vorgeschaltet sein oder im Ladeluft-Sammelrohr selber angeordnet sein. Derartige Lösungen sind beispielsweise aus der DE 601 08 178 T2 bekannt. Gemeinsames Merkmal dieser Einrichtungen zur Vorwärmung der Ladeluft ist der zusätzliche Bauraumbedarf, wodurch diese Einrichtungen für die aus der DE 10 2005 030 850 A1 bekannte Brennkraftmaschine nicht einsetzbar sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, für die zuvor beschriebene Brennkraftmaschine eine Ladeluft-Vorwärmung zu entwerfen.
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Bei der ersten Lösung ist ein elektrisches Heizelement zur temporären Vorwärmung der Ladeluft im Kühler-Auslassbereich angeordnet. In einer ersten Bauart hierzu ist das elektrische Heizelement als einstückiges Bauteil im Austrittsgehäuse angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Länge des Austrittsgehäuses. Der gesamte Ladeluftstrom wird daher vor Verlassen des Ladeluftkühlers mit einem einzigen elektrischen Heizelement vorgewärmt. Alternativ hierzu besteht das elektrische Heizelement aus einzelnen, örtlich sowie elektrisch gegeneinander isolierten, Heizelementen, wobei jeweils ein elektrisches Heizelement einem Auslasskrümmer zugeordnet ist. In einer zweiten Bauart ist das elektrische Heizelement im Auslasskrümmer des Ladeluftkühlers untergebracht. Das elektrische Heizelement kann als von außen zugängliche Einschubeinheit im Auslasskrümmer ausgeführt sein. Bei beiden Bauarten gehört das elektrische Heizelement zum Funktionsumfang des Ladeluftkühlers. Der Ladeluftkühler einschließlich des elektrischen Heizelements kann daher als vormontiertes Modul von einem Zulieferer bezogen werden. Bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung ist von Vorteil, dass keine weitere mechanische Anpassungsarbeit am Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine erforderlich ist.
Bei der zweiten Lösung ist das elektrische Heizelement zur temporären Vorwärmung der Ladeluft im Luft-Einlasskanal des Zylinderkopfs angeordnet. Auch hier kann das elektrische Heizelement als integraler Bestandteil des Zylinderkopfs oder als Einschubeinheit ausgeführt sein.
Die Integration der Ladeluft-Vorwärmung geschieht innerhalb des gegeben Bauraums, also ohne Bauraumzunahme für die Gesamtanordnung bestehend aus der Brennkraftmaschine und den Nebenaggregaten. Da das elektrische Heizelement im aktivierten Zustand keinen Sauerstoff verbraucht, wird die Gemischbildung nicht negativ beeinflusst. Dies ist zum Beispiel bei einem Einsatz in großer geodätischer Höhe von Vorteil. Eine gute Systemanpassung wird dadurch erzielt, dass die elektrische Vorwärmung in Leistungsstufen betrieben werden kann, beispielsweise bei tiefen Motor- und Ansauglufttemperatur (Kaltstart) mit maximaler elektrischer Leistung und in abnehmenden Leistungsstufen in der Wasserlaufphase zur Weißrauchunterdrückung.
In den Figuren sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:
1 einen Ladeluftkühler mit Zylinderkopf gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 den Ladeluftkühler als Funktionseinheit,
3 den Ladeluftkühler der 1 in einer ersten Bauart,
4 den Ladeluftkühler der 1 in einer zweiten Bauart,
5 einen Ladeluftkühler mit Zylinderkopf gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
6 den Zylinderkopf der 5 in einer ersten Bauart und
7 den Zylinderkopf der 5 in einer zweiten Bauart.
Die 1 zeigt den Ladeluftkühler 1 mit dem Zylinderkopf 2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung als montierte Baueinheit. In der ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein elektrisches Heizelement 10 im Ladeluftkühler 1 angeordnet. Der Ladeluftkühler 1 und der Zylinderkopf 2 kommen unmittelbar – ohne Zwischenschaltung eines Ladeluftrohrs – an einander zur Anlage. Der Zylinderkopf 2 kann als einstückiges Bauteil ausgeführt oder – wie dargestellt – aus Einzelzylinderköpfen komplettiert sein. Der dargestellte Ladeluftkühler 1 besitzt fünf Auslasskrümmer 9, innerhalb welcher ein Ladeluft-Gasführungskanal angeordnet ist. Dieser kommuniziert mit dem jeweiligen Luft-Einlasskanal im Zylinderkopf 2. Diesen bilden daher einen durchgehenden Ladeluft-Gasführungskanal vom Ladeluftkühler bis zum Brennraum der Brennkraftmaschine. Ausgeführt ist der Ladeluftkühler 1 als Luft-Wasserkühler, bei dem der Wärmeübergang aus der Ladeluft in das Wasser erfolgt. Die Wasserzuführung ist mit dem Bezugszeichen WASSER ZU gekennzeichnet. Die Zuführung der Ladeluft von einem Verdichter, Bezugszeichen LL ZU, erfolgt über einen Einlasskrümmer 6.
Die 2 und 3 zeigen den Ladeluftkühler 1 der 1 als erste Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Bauart. In der ersten Bauart ist das elektrische Heizelement 10 im Kühler-Auslassbereich des Ladeluftkühlers 1 angeordnet. In der 2 ist der Ladeluftkühler 1 schematisch als Funktionseinheit dargestellt. Die 3 zeigt die konkrete Ausführungsform hierzu in perspektivischer Ansicht mit Teilaufriss. Die weitere Beschreibung erfolgt für die beiden 2 und 3 gemeinsam.
Der Ladeluftkühler 1 umfasst einen Kühler-Einlassbereich 3, eine Kühlermatrix 4 und einen Kühler-Auslassbereich 5, siehe 2. Der Kühler-Einlassbereich 3 wiederum setzt sich aus dem Einlasskrümmer 6 und einem Eintrittsgehäuse 7 zusammen. Über den Einlasskrümmer 6 wird die Ladeluft zugeführt. In den Figuren ist dies mit einem Pfeil und dem Bezugszeichen LL ZU gekennzeichnet. In der Kühlermatrix 4 erfolgt der Wärmeübergang. Der Wasserfluss durch die Kühlermatrix 4 ist in der 2 durch Pfeile mit den Bezugszeichen WASSER ZU und WASSER AB gekennzeichnet. Der Kühler-Auslassbereich 5 setzt sich aus einem Austrittsgehäuse 8 und den Auslasskrümmern 9 zusammen. Auf Grund des Aufrisses ist in der 3 von den fünf Auslasskrümmern 9 bei zwei Auslasskrümmern nur ein Teil der unteren Anschlussfläche sichtbar. Über den Auslasskrümmer 9 wird die Ladeluft aus dem Ladeluftkühler 1 abgeführt. In den Figuren ist dies durch einen Pfeil und das Bezugszeichen LL AB gekennzeichnet.
In der ersten Bauart des Ladeluftkühlers 1 ist das elektrisches Heizelement 10 innerhalb des Austrittsgehäuses 8 angeordnet und somit integraler Bestandteil des Ladeluftkühlers 1. Über das elektrische Heizelement 10 wird die Ladeluft bei einem Kaltstart vorgewärmt, wodurch bei tiefen Temperaturen der Start ermöglicht wird und die Weißrauchentstehung unterdrückt wird. Wie in der 3 dargestellt, setzt sich das elektrische Heizelement 10 aus einzelnen Heizelementen zusammen, welche örtlich sowie elektrisch gegeneinander isoliert sind. Jedem Auslasskrümmer 9 ist ein elektrisches Heizelement 10 zugeordnet. Beispielsweise ist dem Auslasskrümmer 9.1 das elektrische Heizelement 10.1 zugeordnet. Von einem nicht dargestellten elektronischen Heizelement-Steuergerät kann jedes elektrische Heizelement 10 mit einem Ansteuersignal U beaufschlagt werden. In der Praxis ist das Ansteuersignal als PWM-Signal ausgeführt, bei dem über das Impuls-Pausenverhältnis die im elektrischen Heizelement erzeugte Wärmemenge gesteuert wird. Über das PWM-Signal kann das elektrische Heizelement in Leistungsstufen betrieben werden, wodurch eine zielgerichtete Anpassung der Ladeluftvorwärmung möglich wird. Die Ladeluft-Vorwärmung kann daher in jedem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zur Optimierung des Verbrennungsprozesses aktiviert werden. Die vom Heizelement 10.1 erwärmte Ladeluft strömt über den Auslasskrümmer 9.1 in den Luft-Einlasskanal 12.1 des Zylinderkopfs 2. Der Ladeluftkühler 1 und der Zylinderkopf 2 bilden daher – wie in 3 dargestellt – einen gemeinsamen Ladeluft-Gasführungskanal. Die einzelnen elektrischen Heizelemente können auch leitend zu einem gesamten elektrischen Heizelement verbunden sein, welches sich dann über die gesamte Länge des Austrittsgehäuses 8 erstreckt.
In der 4 ist der Ladeluftkühler 1 der 1 in einer zweiten Bauart dargestellt. Die zweite Bauart unterscheidet sich von der ersten Bauart (2 und 3) dadurch, dass das elektrische Heizelement 10 im Auslasskrümmer 9 als Einschubeinheit 11 angeordnet ist. Die Einschubeinheit 11 kann zu Servicezwecken – in Zeichnungsrichtung gesehen nach oben – aus dem Auslasskrümmer 9 herausgezogen werden. Beispielsweise ist dem Auslasskrümmer 9.1 die Einschubeinheit 11.1 mit dem elektrischen Heizelement 10.1 zugeordnet. Die einzelnen elektrischen Heizelemente 10 können auch bei dieser Bauart über ein nicht dargestelltes elektronisches Heizelement-Steuergerät einzeln mit einem Ansteuersignal U beaufschlagt werden.
Die 5 zeigt einen Ladeluftkühler 1 mit Zylinderkopf 2 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung als montierte Baueinheit, bei welcher ebenfalls der Ladeluftkühler 1 unmittelbar – ohne Zwischenschaltung eines Ladeluftrohrs – am Zylinderkopf 2 anliegt. In der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist das elektrische Heizelement 10 im Luft-Einlasskanal 12 des Zylinderkopfs 2 angeordnet. Der dargestellte Ladeluftkühler 1 besitzt fünf Auslasskrümmer 9, innerhalb welcher ein Ladeluft-Gasführungskanal angeordnet ist. Dieser kommuniziert mit dem jeweiligen Luft-Einlasskanal 12 des Zylinderkopfs 2. Diesen bilden daher einen durchgehenden Ladeluft-Gasführungskanal vom Ladeluftkühler bis zum Brennraum der Brennkraftmaschine.
Die 6 zeigt den Zylinderkopf 2 der 5 in einer ersten Bauart, bei der zum besseren Verständnis der Zylinderkopf 2 im Bereich des Luft-Einlasskanals 12 im Aufriss dargestellt ist. Innerhalb des Luft-Einlasskanals 12 ist das elektrische Heizelement 10 als integraler Bestandteil des Zylinderkopfs 2 angeordnet. Angesteuert wird das elektrische Heizelement 10 durch ein nicht dargestelltes elektronisches Heizelement-Steuergerät.
Die 7 zeigt den Zylinderkopf 2 der 5 in einer zweiten Bauart. Auch hier ist der Zylinderkopf 2 im Bereich des Luft-Einlasskanals 12 im Aufriss dargestellt. Die zweite Bauart unterscheidet sich von der ersten Bauart (6) dadurch, dass das elektrische Heizelement 10 hier als Einschubeinheit 11 ausgeführt ist. Die Einschubeinheit 11 ist von der Außenseite her zugänglich und damit servicefreundlich. Das den Luft-Einlasskanal 12 umgebende Gehäuse wurde entsprechend gekürzt, so dass der Bauraum trotz Einschubeinheit 11 unverändert beibehalten werden konnte.
Zusammenfassend ergeben sich aus der Beschreibung für die Erfindung folgende Vorteile:

– Die Integration der Ladeluft-Vorwärmung geschieht innerhalb des gegeben Bauraums, also ohne Bauraumzunahme;
– Das elektrische Heizelement hat keine Auswirkung auf die Gemischbildung, was beim Betrieb in großer geodätischer Höhe von Vorteil ist;
– Die Erfindung kann als Nachrüstsatz angeboten werden;
– Durch die Aussteuerung in Leistungsstufen ist eine gezielte Systemanpassung möglich, zum Beispiel mit hoher elektrischer Leistung beim Motorstart und abnehmender elektrischer Leistung in der Warmlaufphase zur Weißrauchunterdrückung.

1: Ladeluftkühler
2: Zylinderkopf
3: Kühler-Einlassbereich
4: Kühlermatrix
5: Kühler-Auslassbereich
6: Einlasskrümmer
7: Eintrittsgehäuse
8: Austrittsgehäuse
9: Auslasskrümmer
9.1: Auslasskrümmer
10: elektrisches Heizelement
10.1: elektrisches Heizelement
11: Einschubeinheit
11.1: Einschubeinheit
12: Luft-Einlasskanal
12.1: Luft-Einlasskanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005030850 A1 [0002, 0003]
- DE 60108178 T2 [0003]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler (1), welcher einen Kühler-Auslassbereich (5), bestehend aus einem Austrittsgehäuse (8) sowie mehreren Auslasskrümmern (9), umfasst, und mit einem Zylinderkopf (2), welcher einen Luft-Einlasskanal (12) zur Zuführung der Ladeluft in den Brennraum aufweist, wobei der Ladeluftkühler (1) und der Zylinderkopf (2) unter Bildung eines durchgehenden Ladeluft-Gasführungskanals unmittelbar an einander anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühler-Auslassbereich (5) ein elektrisches Heizelement (10) zur temporären Vorwärmung der Ladeluft angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (10) im Austrittsgehäuse (8) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (10) einstückig sich über die gesamte Länge des Austrittsgehäuses (8) erstreckt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Heizelemente (10) örtlich sowie elektrisch gegeneinander isoliert im Austrittsgehäuse (8) angeordnet sind, wobei jeweils ein elektrisches Heizelement (10) einem Auslasskrümmer (9) zugeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (10) im Auslasskrümmer (9) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (10) als Einschubeinheit (11) im Auslasskrümmer (9) angeordnet ist.
Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler (1), welcher einen Kühler-Auslassbereich (5), bestehend aus einem Austrittsgehäuse (8) sowie mehreren Auslasskrümmern (9), umfasst, und mit einem Zylinderkopf (2), welcher einen Luft-Einlasskanal (12) zur Zuführung der Ladeluft in den Brennraum aufweist, wobei der Ladeluftkühler (1) und der Zylinderkopf (2) unter Bildung eines durchgehenden Ladeluft-Gasführungskanals unmittelbar an einander anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass im Luft-Einlasskanal (12) des Zylinderkopfs (2) ein elektrisches Heizelement (10) zur temporären Vorwärmung der Ladeluft angeordnet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (10) als Einschubeinheit (11) im Lufteinlass-Kanal (12) angeordnet ist.